Les superalliages à base de nickel durcis par précipitation γ' et notamment l'Inconel 738 LC (IN738LC), sont des matériaux largement utilisés dans les parties chaudes de turbomoteurs d'avions et d'hélicoptères. Ces matériaux disposent d'excellentes propriétés mécaniques à haute température. Toutefois, des défauts ou des fissures peuvent apparaitre sur ces pièces, lors de leur élaboration par fonderie ou bien pendant leur durée en service, ce qui nécessite leur réparation. Cependant, les pièces constituées en IN738LC sont sujettes à de la fissuration au cours des procédés de réparation de type soudage. Il s'avère que le rechargement laser est une technique de fabrication additive prometteuse permettant de réparer des pièces abimées. Le présent travail consiste en l'étude de la réparabilité par projection de poudre de l'alliage IN738LC réputé non soudable. Cette étude comporte deux volets expérimentaux et numériques du rechargement de pièces en Inconel 738 LC au moyen du procédé CLAD. Pour cela, nous avons réalisé des essais de rechargement suivant plusieurs configurations illustrant les cas de réparations rencontrés industriellement. Deux mécanismes de fissuration distincts sont mis en évidence respectivement dans la zone affectée thermiquement du substrat et dans le dépôt. Une simulation multi-physique est également développée pour rendre compte des phénomènes thermiques, mécaniques et métallurgiques observés lors du rechargement laser. Ces simulations sont comparées à des mesures expérimentales pour validation. Enfin, ces outils de simulation sont utilisés afin de définir des critères numériques de risque de fissuration. En résumé, un préchauffage à haute température permet d'éliminer le risque de liquation et donc de fissures dans la ZAT ainsi que dans les dépôts, ce qui démontre qu'il est possible d'envisager une réparation sur cet alliage réputé non soudable. / Y' hardened nickel-based superalloys, such as Inconel 738 LC (IN738LC), are materials which are extensively used in hot sections parts of helicopter and aircraft engines. Those materials exhibit enhanced mechanical properties at high temperature. Nevertheless, cracking and several defects can occur on these parts during casting or during their service life. However, welding type repairing processes can lead to considerable cracking of IN738LC superalloy. It appears that laser cladding is a promising additive manufacturing technology which allows the repair of damaged parts. The present work main objective is aimed at investigating Inconel 738 LC repair by laser cladding. Both experimental and numerical aspects are studied for the repair of IN738LC by means of the CLAD process. Experimental laser clad deposits are produced under several configurations following industrial cases. Two distinct cracking mechanisms are identified in the heat-affected zone and within the deposit, respectively. A multi-physics simulation of laser cladding is developed in order to take into account thermal, mechanical and metallurgical phenomena. Simulation is compared to experimental measurements for validation. Finally, these numerical tools are used to define cracking risk criteria. In summary, a high preheating of the samples allows to suppress liquation and HAZ cracking, but also to obtain un-cracked deposit, which indicates that the repair of non-weldable alloys is possible.

L'amélioration du rendement des turboréacteurs requiert un accroissement de leur température de service. Le développement de nouveaux alliages, issus du système Nb-Si, permet d'envisager des températures de fonctionnement de 200°C supérieures à celles offertes par les superalliages base nickel utilisés actuellement. La première partie de ce manuscrit rappelle les principaux résultats scientifiques ayant menés à la sélection des alliages composites à base de siliciures de niobium (Nbss-Nb5Si3). La microstructure de ces alliages associe une matrice ductile de niobium pouvant solubiliser de nombreux éléments d'addition à une dispersion de siliciures durs et fragiles conférant aux alliages leurs bonnes propriétés en fluage et une meilleure résistance à l'oxydation à haute température. Malheureusement, ces alliages sont caractérisés par une récession rapide du métal associée au développement d'oxydes non protecteurs. L'oxygène réagit rapidement avec le substrat, se dissout dans la solution solide de niobium et y diffuse rapidement. L'effet des éléments Al, Si et Ti a été étudié en considérant à la fois les modifications microstructurales et les propriétés en oxydation lors de ces additions. Bien que ces optimisations de compositions conduisent à une amélioration significative de la résistance à l'oxydation des alliages Nbss-Nb5Si3, certaines nuances souffrent d'une résistance à l'oxydation catastrophique vers 800°C. L'ajout graduel d'étain au sein des alliages permet de modifier foncièrement la microstructure, notamment en initiant le développement d'une phase de type A15-Nb3Sn. A 800°C, l'étain supprime la dissolution de l'oxygène au sein de Nbss responsable du comportement en oxydation catastrophique rencontré par les nuances sans étain. Malgré ces progrès, la résistance à l'oxydation de ces alliages reste insuffisante et le développement de revêtements protecteurs contre l'oxydation a été nécessaire. Dans ce sens deux familles de siliciures Nb3X3CrSi6 et Nb4X4Si7 (X = Fe, Co ou Ni) ont été sélectionnées et leur stabilité thermodynamique ainsi que leur comportement en oxydation ont été évaluées. Ces phases se sont avérées capables de résister à l'oxydation à des températures d'exposition allant jusqu'à 1300°C. Le mécanisme d'oxydation de chacun de ces siliciures a été déterminé. Finalement, le dépôt de ces siliciures à la surface des alliages Nbss-Nb5Si3 via le procédé de pack cémentation s'est révélé possible. Les alliages revêtus par les siliciures choisis présentent des durées de vie pouvant aller jusqu'à 3000 cycles d'oxydation d'une heure à 1100°C / The improvement of the efficiency of turbine engine can be achieved by increasing the working temperature. The development of new alloys based on Nb-Si system allows a jump of 200°C of the operating temperature in comparison to that offered by current nickel based alloys. The first part of this manuscript focuses on the evolutions which have led to the development of niobium silicide in situ composites (Nbss-Nb5Si3). The microstructure of these alloys consists in a ductile niobium matrix where number of alloying elements can solubilise and of strengthening niobium silicides which are intended to provide creep and oxidation resistance at high temperature. Unfortunately, these alloys exhibit a poor oxidation resistance characterised by a high metal recession rate and the formation of non-protective oxide scale. Thus, oxygen can easily react with the substrate, dissolve in Nbss and diffuse quickly through this phase. The effect of Al, Si and Ti additions on both microstructure and oxidation resistance were investigated. Although, these composition optimisations lead to a significant enhance of oxidation resistance, some compositions still suffers from catastrophic oxidation behaviour around 800°C. In these alloys tin additions involve high microstructural changes, especially by initiating the formation of A15- Nb3Sn phase. At 800°C, Sn additions suppress oxygen dissolution in Nbss responsible of the catastrophic oxidation behaviour of these alloys. Nevertheless, the oxidation resistance of these alloys remains too low for the foreseen applications and protective coatings are required. Thermodynamic stability and oxidation resistance of two silicide families (Nb3X3CrSi6 and Nb4X4Si7 (X = Fe, Co or Ni)) were investigated. These silicides have exhibited a high oxidation resistance up to 1300°C by the formation of a protective silica layer. Finally, these silicides were deposited on Nbss-Nb5Si3 substrate by using the pack cementation process. Some coated alloys have then exhibited lifetime going up to 3000 one hour cycle at 1100°C

L’amélioration de la solidification de lingots d’acier industriels de plusieurs tonnes demeure un défi scientifique. Lors de cette étape cruciale, des hétérogénéités chimiques – à l’échelle du mètre – peuvent se développer. Le mouvement des grains solides qui se forment et se déplacent dans le bain liquide est un des leviers d’action sur la macroségrégation. L’inoculation permet d’agir sur le nombre, la taille et la morphologie de ces grains via des ajouts dans le métal liquide. Dans ce travail, les nuances 42CrMo4 et 34Cr4 ont été inoculées pour plusieurs formats de lingots. Des techniques de caractérisation (2D et 3D) ont été développées pour la comparaison des structures de solidification dendritiques avant et après inoculation. Une première série de lingotins (50 g) a montré l’effet affinant de poudres à bonne cohérence cristallographique avec la ferrite et l’effet grossissant d’un ferroalliage de cérium. Après une étude à plus grande échelle (8 kg) pour les meilleurs candidats (poudres de TiN, CeO2, Si3N4 et ferroalliage de cérium), un ajout de cérium a été fait dans un lingot industriel de 6,2 t. Le cérium, responsable de la croissance des grains équiaxes pour l’ensemble des lingots caractérisés. Il agit probablement sur les tensions interfaciales solide/liquide et moule/liquide tout en remplaçant les sites de germination nativement présents dans le métal liquide par des inclusions au cérium qui ne servent pas de sites de germination / Improving the solidification of large industrial steel ingots remains a scientific challenge. During casting chemical heterogeneities (macrosegregation), sometimes in the scale of meters, can arise. Solid grain motion is one phenomena responsible for macrosegregation. Inoculation allows the number, size and morphology of these grains to be modified through additions to the liquid metal. In this work 42CrMo4 and 34Cr4 grade steel ingots of several sizes were modified with potential inoculants. Characterization techniques (2D and 3D) were developed to compare dendritic solidification structures before and after inoculation. The first series of small ingots (50 g) showed grain refinement for powder additions with a low lattice misfit between the inoculant and solidifying melt, and a coarsening effect when ferrocerium was added. The best inoculant candidates (TiN, CeO2, Si3N4 powders and cerium ferroalloy) were tested in medium sized ingots, after which the cerium addition was tested with a 6,2 t industrial ingot. Cerium is responsible for coarsening the grain size in all sizes of cast ingots investigated. This is likely due to a modification of the solid/liquid and liquid/mold interfacial energy along with the replacement of existing sites with cerium inclusions which are not active during nucleation

Au cours de ce travail, des revêtements intermétalliques TiAlx (x=1,2,3) ont été élaborés sur des substrats à base titane : le titane pur et l’alliage commercial, TA6V. L’objectif était de réaliser des revêtements d’aluminiure en surface et d’étudier le comportement des matériaux revêtus vis-à-vis de l’oxydation à haute température sous air, sous air enrichi en vapeur d’eau et en présence de soufre. Les matériaux revêtus ont été testés à trois températures : 700°C, 800°C et 900°C. Les revêtements ont été réalisés à 1000°C par la méthode de cémentation en caisse. Les revêtements réalisés par ce procédé sont toujours adhérents au substrat. Pendant la réaction d’oxydation, l’existence d’un processus de rétrodiffusion de l’aluminium modifie la nature des phases et l’organisation du revêtement. Les phases TiAl et TiAl2 ne sont pas suffisamment riches en aluminium pour promouvoir la formation d’une couche d’alumine protectrice quelle que soit la température d’oxydation. Lorsque ce sont ces phases qui sont à la surface du revêtement, on assiste toujours à la formation d’une couche superficielle de rutile TiO2. Quand elle constitue la sous-couche externe du revêtement, la phase TiAl3 est assez riche en aluminium pour former une couche d’alumine -Al2O3 couvrante, compacte et protectrice. / During this study, intermetallic coatings TiAlx (x=1,2,3) were performed on titanium substrates: pure titanium and the commercial alloy, TA6V. The aim of this study was to elaborate aluminiure coatings on the surface and characterize the behaviour of these coated materials in oxidation at high temperature under air laboratory, under air enriched with water vapour and with sulfur. The coated materials were tested at three temperatures: 700°C, 800°C and 900°C. The coatings were realized at 1000°C by the pack-cementation process. The coatings realized are always adherent to the substrate. During oxidation the retrodiffusion of aluminium changes the nature of the phases and the organisation of the coating. TiAl and TiAl2 phases are not enough rich in aluminium to promote the formation of a protective alumina layer, whatever the temperature. When these phases are present on the surface of the coating, we always observe the formation of a TiO2 rutile top layer. When TiAl3 is the external sub-layer of the coating, this phase is rich enough in aluminium to form an -Al2O3 alumina layer, which is covering, compact and protective.

L’objectif de ce travail est d'étudier expérimentalement la formation du capillaire durant le perçage et le soudage par faisceau laser, et de développer une simulation numérique permettant de reproduire la dynamique de formation et d'évolution du capillaire. Nous avons fait le choix d’utiliser comme matériau test le Zinc, en raison de ses propriétés thermodynamiques. Afin de simplifier le problème, nous avons étudié dans un premier temps le mécanisme de perçage. Deux méthodes expérimentales ont été utilisées pour caractériser l'évolution de la géométrie du capillaire : La méthode DODO (Direct Observation of Drilled hOle ) permet de visualiser le capillaire après perçage pour différentes durées et la méthode Zn-Quartz permet d’observer directement son évolution temporelle par camera rapide à travers une lame de quartz. Puis nous avons utilisé cette évolution pour mettre au point une simulation du mécanisme de perçage. Après avoir étudié le dépôt de puissance à l’intérieur d’un capillaire en tenant compte des réflexions multiples et estimé l'importance de la perte d'énergie et de matière lors du processus, nous avons développé une simulation en utilisant le logiciel Comsol Multiphysics couplant l'équation thermique, l'équation de Navier Stokes et prenant en compte le déplacement du métal fondu sous l’action de la pression de recul. Dans ce cas, on observe la formation d’un bourrelet important au bord du trou et une augmentation de la profondeur du capillaire. Ensuite nous avons étudié la formation du capillaire durant le soudage laser, c'est-à-dire avec déplacement de la source. A partir des techniques mises en œuvre pour l’étude du perçage nous avons obtenu l’évolution de la forme du capillaire dans le cas du soudage Zn/Quartz. Nous avons réalisé une simulation relativement simple en supposant la géométrie et la température du capillaire connues a priori. Nous avons constaté qu’un modèle simple, modélisant uniquement les transferts thermiques par conduction, permet de bien simuler la forme de la zone fondue pour les couples Zn/Zn et Zn-quartz. / The aim of the present work is to study experimentally the formation of the capillary during the drilling and welding by laser beam and to develop the numerical simulation which allows following the dynamics and the evolution of the keyhole. The zinc was chosen as a test material because its thermodynamical properties are well known. To simplify the problem, in the first place the drilling mechanism was studied. Two experimental methods were used to characterize the evolution of the keyhole: the Direct Observation of Drilled Hole method, which allows the visualization of the keyhole after the application of laser pulses of different durations, and Zn-Quartz method, which allows the direct observation of keyhole evolution with CCD camera through the layer of quartz. Then, the information on keyhole evolution was used to develop the simulation of drilling mechanism. After studying the beam power deposition inside the capillary with taking in account the multiple photon reflections, and after estimation of the energy and matter loss during the process, we developed the simulation with FEM software COMSOL Multiphysics, which contains coupled heat transfer, fluid flow and free surface problem allowing considering the effect of recoil pressure on liquid phase ejection. We could observe the formation of an important bolster surrounding the keyhole and the increase of keyhole depth with time. Next, we studied the formation of the keyhole during the laser welding, in other words, during the displacement of the heat source. Using the same technique that was developed for laser drilling, we have obtained the information on keyhole evolution during zinc-quartz welding. We have created the simple simulation, where keyhole temperature and profile were considered as known a priori. We have stated that this model, which takes in account only conduction heat transfer problem, allows to reproduce well the shape of the melted zone both for zinc-zinc and zinc-quartz couples

Les céramiques polycristallines transparentes de YAG (Yttrium Aluminium Garnet, Y3Al5O12) et de YAG dopé par des lanthanides (Nd, Er, Ho, etc.) ont des propriétés optiques comparables aux monocristaux et peuvent être utilisées comme milieu laser solide dans les lasers solides à haute capacité calorifique. L’utilisation de ces céramiques polycristallines transparentes présente de nombreux avantages comparés aux monocristaux. Ces matériaux ont une meilleure conductivité thermique et sont fabriqués à plus faible coût tout en présentant des propriétés mécaniques améliorées et ce, sur des pièces de plus grandes dimensions. De plus, il est possible d’atteindre de plus forts taux de dopage avec une répartition uniforme du dopant. Le dopage du YAG par l’erbium (0.25 %at.) permet une émission laser « eye-safe » de 1645nm. De plus, un faible taux de dopage permet d’éviter le phénomène d’upconversion lors de l’effet laser.Les conditions pour obtenir la transparence sont, entre autres, l’absence de défauts, une très grande pureté (>99.9%), une répartition de taille de grains homogène et une densité très élevée (>99.9%).Les céramiques transparentes sont obtenues par la voie métallurgie des poudres. La synthèse par voie chimique (co-précipitation, sol-gel, voie hydrothermale…) permet la production de poudres très pures, avec une taille de particules homogène et nanométrique, comparée à la synthèse par voie mécanique (broyage d’oxydes). Le frittage SPS (Spark Plasma Sintering) permet quant à lui une densification rapide, à plus basse température, empêchant ainsi une croissance excessive et anormale des grains lors de la densification. L’application d’un courant électrique de forte intensité associée à une charge uniaxiale permet d’accélerer la cinétique de frittage comparé aux méthodes de frittage conventionelles.Ce travail porte sur l’élaboration de céramiques polycristallines transparentes Er:YAG par la voie métallurgie des poudres. La synthèse de poudre est réalisée par co-précipitation inverse d’une solution de nitrates dans l’hydrogénocarbonate d’ammonium. L’influence des paramètres de synthèse tels que le pH, la concentration, le temps de maturation ou encore le cycle de calcination a été étudiée. Après optimisation des conditions de synthèse, des particules d’Er:YAG pur présentant une taille moyenne de 50nm ont été obtenues. L’étude des mécanismes réactionnels a été menée en associant différentes techniques de caractérisations en température telles que la spectrométrie IR, la diffraction des rayons X, ainsi que des analyses thermo-gravimétriques et différentielles. La formation de la phase YAG à 1050°C passe par la formation d’une phase intermédiaire, le YAP (Yttrium Aluminium Perovskite, YAlO3) à 900°C.Les poudres synthétisées ont ensuite été frittées par frittage flash SPS. L’étude de l’influence du cycle de frittage (température, charge, rampe, maintien) sur la microstructure et son optimisation a été réalisée à partir de poudre commerciale et a permis l’obtention de céramiques transparentes de diamètre 30mm et d’épaisseur 3mm. Un changement d’échelle a également été réalisé permettant la réalisation d’échantillons de diamètre 60mm d’une part, et d’épaisseur 6mm d’autre part / Yttrium aluminium garnet (YAG, Y3Al5O12) transparent ceramics have attracted much attention since it can replace single crystals as host materials in solid state heat capacity lasers. These polycrystalline ceramics present improved mechanical and spectroscopic properties, as well as a better heat conductivity, lower fabrication costs for larger size materials. Furthermore, it is possible to reach higher doping concentrations as well a uniform distribution. Doping YAG with Erbium (Er:YAG) allows eye-safe emission at 1645nm. Moreover, a low doping rate (0.5%at.) enables upconversion process during laser operation. Conditions for transparency are amongst others, the absence of defects, a high purity (>99.9%), an homogeneous grain size as well as a high density (>99.9%).Transparent polycrystalline ceramics can be obtained by powder metallurgy route. Powders, synthesized by chemical reactions such as sol-gel process, co-precipitation or hydrothermal methods, present some advantages like high purity, homogeneity and nano-sized particles compared to those obtained by solid-state reactions. A recent process called Spark Plasma Sintering (SPS) is presented to be a promising technique for the densification of nanostructured materials. Indeed, high current and pressure allow sintering at lower temperatures in shorter sintering time than in regular processes. Besides, rapid heating enables to limit excessive grain growth.In this study, Er:YAG nanopowders have been synthesized by co-precipitation using nitrates as precursors and ammonium hydrogen carbonate as precipitant. The influence of precipitation parameters such as pH, concentration, aging time, or even calcination temperature, has been studied. Er:YAG nanoparticles, with an average grain size of 30nm have been successfully synthesized. The reaction mechanisms have been investigated using different techniques such as infrared spectroscopy, x-ray diffraction, thermal analyses… The YAG phase is formed around 1050°C passing through an intermediate phase called YAP (Yttrium Aluminium Perovskite, YAlO3) at 900°C.Synthesized and commercial powders have been sintered to transparency using SPS device. Optimisation of the sintering conditions (temperature, load, heating rate, dwell time) have been realized using commercial powder. Transparent polycrystalline ceramic specimens with a 30mm diameter and 3mm thickness have been successfully obtained. A scale-up study enabled to produce samples with a diameter up to 60mm and also with 6mm thickness

Le progrès technologique dans des domaines tels que les industries automobile et aéronautique nécessite des matériaux capables de résister à des conditions très exigeantes. Les traitements de surface sont des outils efficaces pour améliorer les propriétés de surface des matériaux, tout en préservant les propriétés en son cœur. En particulier, les traitements par laser sont des méthodes efficaces pour le durcissement et l'augmentation de la durabilité des matériaux. Ce travail s'est focalisé sur la croissance des couches de surface d'oxynitrure de titane par irradiation laser de plaques de titane pur avec des sources pulsées nanosecondes. L'influence des conditions de traitement sur la composition et la structure des couches de surface a été étudiée. Ainsi, pour les traitements par laser dans l'air, il a été montré que l'utilisation de sources infrarouges, à la place de celles dans le visible, augmente la concentration d'azote dans les couches formées. Trois types de mélanges gazeux (N2-O2, O2-Ar et N2-Ar) ont été utilisés pour étudier l'influence de l'atmosphère réactive lors de ces traitements. La compétition entre les mécanismes d'insertion de l'azote et de l'oxygène a été montré. Enfin, le comportement tribologique des échantillons traités par laser a été étudié par des tests de fretting et comparé avec celui de couches d'oxynitrure de titane obtenues par dépôt physique en phase vapeur, considérées comme système modèle par leur plus grande homogénéité en profondeur / The technological advances in areas such as automotive and aerospace industries require materials capable of withstanding demanding conditions. Surface treatments are effective tools to improve the surface properties of materials while preserving their bulk properties. Besides many conventional processes, laser treatments are efficient methods for hardening and increasing the durability of materials. This work is focused on the growth of titanium oxynitride surface layers by laser irradiation of pure titanium plates with nanosecond pulsed sources. The influence of the laser treatment conditions on the composition and the structure of these surface layers was studied. In particular, for laser treatments in air, it was shown that the use of infrared sources, instead of visible ones, increases the nitrogen concentration in the surface layers. Three kinds of gas mixtures (N2-O2, O2-Ar et N2-Ar) were used for studying the influence of the reactive atmosphere. The competition between the insertion mechanisms of nitrogen and oxygen was shown. Finally, the tribological behavior of laser treated samples was studied by fretting tests and compared with titanium oxynitride layers obtained by physical vapor deposition, taken as a model system because of their high in-depth homogeneity

Les systèmes multicouches à base de LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) et d’or sont largement utilisés dans l’élaboration de composants multi-matériaux pour applications radiofréquences civiles et militaires. Cette technologie présente un fort potentiel de développement car elle constitue une solution de packaging des puces électroniques. Lors du processus d’élaboration de ces composants multi-matériaux (céramique-métal), la phase de co-frittage est une étape clé et critique, car elle est source d’endommagement du fait des potentiels différentiels de coefficients de dilatation et de cinétiques de retrait. Ainsi, ce travail vise le développement d’un modèle numérique simulant fidèlement le comportement thermomécanique des composants au cours de l’étape de co-frittage. A cet effet, les comportements thermomécanique et au frittage des matériaux céramiques et métalliques sélectionnés ont été finement caractérisés. Les lois de comportement ainsi identifiées ont été implémentées dans le code de calcul par éléments finis Comsol Multiphysics. La robustesse du modèle développé a été analysée par confrontation à des essais expérimentaux conduits grâce à la mise en place d’un dispositif original de suivi in situ de la déformation par ombroscopie. Ainsi, les cambrures générées lors du frittage contraint d’un bicouche à base de LTCC et lors du co-frittage d’un bicouche LTCC-or ont été caractérisées et comparées aux simulations numériques. / LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) and gold multilayers systems are extensively used in the development of multi-materials components for civil and military radio-frequency applications. This technology presents a high potential of development because it provides a packaging solution for electronic chips. During the process of drafting of these multi-materials components (ceramic metal), the co-sintering step is a key and critical one, indeed it leads to damages because of potential thermal expansion coefficients and shrinkage kinetics differentials. Thus, the aim of this work is to develop a numerical model able to faithfully simulate the components thermomechanical behavior during the co-sintering stage. To achieve this, the sintering and thermomechanical behavior of the selected ceramic and metal materials have been carefully characterized. The behavior laws so identified have been implemented in the software based on the finite elements method Comsol Multiphysics. The developed model robustness has been analyzed by confrontation with experimental tests driven by the establishment of an original shadowscopy apparatus which allows the in situ strain recording. Thus, the generated curvatures during the constrained sintering of a LTCC bilayer and during a gold-LTCC bilayer co-sintering have been characterized and compared with the numerical simulations.

Les alliages intermétalliques riches en fer du système fer-aluminium, Fe3Al, ont des caractéristiques très intéressantes pour des applications mécaniques à haute température. Ils possèdent, comme la plupart des composés intermétalliques, une résistance mécanique élevée, une bonne résistance à l'oxydation ainsi qu'une faible densité. Cependant, les principales raisons qui limitent leurs applications sont leur fragilité à température ambiante et une forte diminution de leur résistance pour des températures supérieures à 550° C. Un aspect intéressant de ces alliages est leur comportement envers les métaux de transition. Certains éléments, comme TI, peuvent augmenter la stabilité de la phase D03, en augmentant la transition D03/B2 vers des températures plus élevées. La situation est moins claire dans le cas du Zr. En effet, malgré l'effet bénéfique du dopage en Zr sur la cohésion des joints de grains et la ductilité, il n'existe pas de données expérimentales concernant son effet sur la stabilité de la structure D03 du composé Fe3Al. Ce travail de thèse vise à étudier l'effet de ces deux métaux de transitions Ti et Zr sur les propriétés du composé intermétallique D03-Fe3Al en utilisant des calculs pseudopotentiels ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Deux principaux thèmes ont été abordés : (i) la compréhension du rôle de ces deux métaux de transition en termes de stabilité de la phase D03 à la lumière de leur site préférentiel dans la structure D03-Fe3Al ; (ii) le comportement du Ti et Zr dans le joint de grains [sigma]5 (310)[001] ainsi que leur effet sur la stabilité structurale de cette interface. Un élément important pour étudier ces aspects est de prendre en compte l'effet de la température. Cela nécessite un traitement de type dynamique moléculaire des atomes dans la supercellule. La technique dynamique moléculaire ab initio (AIMD) résout ces problèmes en combinant des calculs de structure électronique avec la dynamique à une température finie. Ainsi, notre étude a été menée à la fois en utilisant des calculs ab initio statiques à 0K ainsi que la prise en compte de l'effet de la température jusqu'à 1100K (Dynamique Moléculaire Ab Initio) / Fe3Al-based intermetallic compounds are promising materials for structural applications at high temperature. Their advantageous properties originate from their low density and their high corrosion resistance in oxidizing and sulfidizing environments. However, because of their limited room temperature ductility and their low strength and creep resistance at higher temperatures (~ 550 °C), it is necessary to improve their properties to adapt them for structural applications. An interesting aspect of these alloys is their behaviour towards transition metal impurities. Some elements like Ti increase the stability of the D03 by increasing the D03/B2 transition towards higher temperature. The situation is less clear for Zr addition, indeed, despite the beneficial effect of small Zr addition on the grain boundary cohesion and ductility ; there is no experimental data available concerning its effects on the stability of the D03-Fe3Al compounds. In this thesis the effect of Ti and Zr transition metals on the D03-Fe3Al intermetallic compounds has been investigated by means of ab initio Pseudopotentials numerical simulations based on Density Functional Theory. Two main issues will be addressed : (i) the understanding of the rôle of these two transition metals in terms of stability of the bulk at the light of their site preference in the D03-Fe3Al structure ; (ii)the behaviour of Ti and Zr transition metals in the [sigma]5 (310) [001] grain boundary and their effect on the structural stability of this interface. An important issue when studying these aspects is to take into accounts the effect of temperature. This requires a molecular dynamics treatment of the atoms in the supercell. The technique known as ab initio molecular dynamics (AIMD) solves these problems by combining on the fly electronic structure calculations with finite temperature dynamics. Thus, our study was conducted both using the conventional static ab initio calculations (0K) as well as by taking into account the effect of temperature (ab initio molecular dynamics)

Dans les alliages multiphasés, la cohérence des interfaces entre des phases en désaccord paramétrique génère des champs élastiques internes à longue distance et généralement anisotropes. L'interaction de ces champs affecte fortement la cinétique des transformations de phase diffusives, et influence la forme et l'arrangement spatial des précipités. Dans la microstructure des superalliages monocristallins à base de nickel, obtenue par précipitation de la phase γ’ ordonnée L12 dans la matrice CFC γ, l'élasticité conduit à la formation d'alignements quasi-périodiques des précipités γ’ cuboïdaux. La microstructure γ/ γ’ possède cependant des défauts systématiques d'alignement des précipités: des branches, des macro-dislocations et des motifs en chevrons. Nous nous intéressons à l'origine de ces défauts d'alignement. Nous conduisons des analyses de stabilité de l'arrangement périodique de précipités en interactions élastiques. Contrairement à la stabilité attendue, les calculs semi-analytiques ont révélé l'instabilité de la distribution périodique de précipités γ’ cubiques, vis-à-vis de certains modes de perturbation. Les principales instabilités sont le mode longitudinal [100] et le mode transverse [110], et leur domaine d'instabilité est analysé vis-à-vis de l'anisotropie élastique. Le développement de ces modes instables est étudié par une méthode de champ de phase classique, en simulant l'évolution de microstructures périodiques soumises à des légères perturbations initiales. Nous montrons que l'expression des instabilités d'arrangement procède essentiellement par l'évolution de la forme des précipités, et conduit à la formation de motifs qui ont pu être reliés à des microstructures expérimentales. En particulier, le mode transverse [110] conduit à la formation de motifs en chevrons. Nous étudions l'influence du taux de phase γ’ et de l'inhomogénéité du module élastique C’, et nous montrons le rôle qu'ils jouent dans la stabilisation de l'arrangement périodique. Dans des simulations réalisées dans des études antérieures, la dynamique des défauts est analysée au moyen de paramètres topologiques issus de la phénoménologie des structures hors-équilibre. Au cours d'un recuit isotherme, nous observons que les branches et les macro-dislocations migrent dans la microstructure selon des mécanismes de montée et de glissement. Nous utilisons ensuite une nouvelle formulation des modèles de champ de phase, intrinsèquement discrète, dans laquelle les interfaces sont résolues essentiellement avec un pas de grille sans friction de réseau et avec une invariance par rotation précise. Cette approche, appelée Sharp Phase Field Method (S-PFM), est implémentée sur une grille CFC, et avec une description des quatre variants de translation des précipités γ’. Nous montrons que la S-PFM permet la modélisation de microstructures à grande échelle, avec plusieurs milliers de précipités à deux et trois dimensions, et donne ainsi accès à des informations statistiques sur l'évolution de la microstructure et sur la dynamique des défauts d'alignement. Nous discutons finalement la perspective de modéliser l'évolution de la microstructure γ/γ’ à une échelle supérieure par une description de la dynamique des défauts d'alignement des précipités. / In multiphase alloys, internal elastic fields often arise as a result of a coherently adjusted misfit between the lattices of coexisting phases. Given their long-range and usually anisotropic nature, the interaction of these fields is known to significantly alter the kinetics of diffusion-controlled phase transformations, as well as influence the shapes and spatial arrangement of the misfitting precipitates. In the microstructure of single-crystal nickel-base superalloys, obtained by precipitation of the L12-ordered γ’ phase in the FCC γ matrix, elasticity leads to the formation of nearly periodic alignments of the cuboidal γ’ precipitates. However, the γ/γ’ microstructure systematically displays defects in the precipitate alignment: branches, macro-dislocations and chevron patterns. We first address the question of the origin of these alignment defects. Stability analyses of the periodic arrangement of elastically interacting precipitates are carried out. Contrary to the expected stability, the semi-analytical calculations revealed the periodic distribution of cubic γ‘ precipitates to be unstable against specific perturbation modes. The main instabilities are the [100] longitudinal mode and the [110] transverse mode, and their instability range is analyzed with respect to the elastic anisotropy. The consequences of these unstable modes are investigated using a classic phase field method, by modeling the evolution of periodic microstructures undergoing small initial perturbations. We show the expression of the instabilities mainly proceeds by the evolution of the precipitate shapes, and leads to the formation of patterns which were related to experimental microstructures. Specifically, the [110] transverse instability is responsible for the formation of chevron patterns. The effects of the volume fraction and of an inhomogeneity on the C’ shear modulus on the stability of the arrangement are studied, and we show the role they play in the partial stabilization of the periodic distribution, though the [100] longitudinal mode always remains unstable. In phase field calculations carried out in previous studies, the dynamics of alignment defects are analyzed by means of topological parameters derived from pattern formation theory. During annealing, branches and macro-dislocations were observed to migrate in the microstructure according to climbing and gliding mechanisms. We then use a new formulation of phase field models, intrinsically discrete, in which the interfaces are resolved with essentially one grid point with no pinning on the grid and an accurate rotational invariance. This approach, known as the Sharp Phase Field Method (S-PFM), is implemented on a FCC grid and accounts for the four translational variants of the γ’ precipitates. We show that the S-PFM allows for the modeling of large-scale microstructures, with several thousand precipitates both in two and three dimensions, and provides access to statistical information on the microstructure evolution and on the the dynamics of alignment defects. We finally discuss the perspective of modeling the evolution of the γ/γ’ microstructure at the macroscale by means of a description of the defect dynamics in the precipitate alignments.