Les poudres d'alliages aluminium-nickel produites par atomisation peuvent être traitées pour préparer du nickel de Raney, un catalyseur utilisé dans de nombreux procédés industriels. L'activité du catalyseur dépend fortement du déroulement des multiples réactions de solidification pendant l'atomisation. Un modèle de microségrégation pour la solidification d'alliages métalliques est alors développé. En considérant des flux de diffusion finis, des cinétiques de réactions dendritique, péritectique et eutectique et des surfusions de germination, une alternative plus évoluée est proposée aux modèles de Gulliver-Scheil ou de la loi des leviers. Le couplage avec des calculs d'équilibre thermodynamique est effectué pour évaluer les compositions des interfaces et les termes d'enthalpie dans le bilan d'énergie. Le modèle est appliqué à un alliage binaire, avec des densités de phases constantes, pour simuler le procédé d'atomisation de gouttes d'alliage Al-Ni. Un modèle dédié est choisi pour les conditions aux limites d'échange de chaleur. Les résultats sont comparés à des mesures expérimentales obtenues par diffraction de neutron. Des interprétations sont alors établies sur les comportements non triviaux des alliages Al-Ni solidifiés rapidement. Le modèle proposé permet ainsi d'appréhender les effets concurrents des différentes cinétiques (diffusion chimique, bilan d'énergie, vitesse croissance des microstructures, etc.) lors de la solidification hors équilibre. Les principaux développements envisageables autour de ce travail incluent : l'extension aux alliages multicomposés, l'inclusion de densités variables, le couplage avec des calculs macroscopiques.

Dans une démarche globale d'allègement des structures aéronautiques assemblées par soudage (projet ASA avec EADS et ALCAN), le dimensionnement en tolérance au dommage nécessite de connaitre les tailles admissibles des fissures sur les panneaux structuraux de fuselage. Les alliages d'aluminium utilisés dans l'aéronautique ont une ténacité élevée. Les normes appliquées conduisent donc à faire des essais (dits de courbe R) sur de larges plaques. Ces essais sont très couteux et difficiles à modéliser par une approche globale de la rupture. Une approche locale pourrait etre utilisée pour modéliser la ténacité des joints soudés et limiter ainsi le nombre d'essais sur larges plaques.<br />Un des enjeux majeurs de ce travail est l'étude du comportement des tôles et des joints soudés en alliage d'aluminium 6056 des structures aéronautiques pour les fuselages des avions. Le but est de mettre en évidence, d'une part, l'effet d'épaisseur et d'écrouissage des tôles laminées sur les modes de rupture et d'autre part, les mécanismes de rupture mis en jeu dans un joint soudé par laser CO2. Cela nécessite alors la caractérisation de la microstructure et des propriétés mécaniques des tôles et des différentes zones du joint soudé telles que la zone fondue, la zone affectée thermiquement et le métal de base. Différents types d'essais mécaniques sont menés sur des éprouvettes lisses, entaillées et des éprouvettes de fissuration de type Kahn. Ils permettent d'identifier les paramètres du modèle d'approche locale associés aux tôles d'aluminium et aux différentes zones de la soudure pour modéliser par éléments finis les mécanismes de rupture.

Ces travaux sont consacrés à l'étude des mécanismes prépondérants pouvant intervenir dans l'endommagement en fretting-fatigue pour des alliages Al-Cu-Li. Afin d'apporter des réponses, une importante étude expérimentale a été menée en 3 sections distinctes : comportement en fatigue avec concentration de contrainte dans la pièce; résistance à l'endommagement en fretting; essais de fretting-fatigue. Un effort particulier est réalisé pour déterminer l'influence de la microstructure sur ces différents mécanismes. Dans les conditions testées en fatigue, les matériaux étudiés présentent des durées de vies similaires alors que les chemins de fissuration diffèrent aussi bien au niveau macroscopique que microscopique. L'analyse EBSD de zones fissurées met en lumière l'importance de la texture pour les alliages à l'état UA à la différence de ceux à l'état T8. L'état de précipitation est cependant le facteur le plus important contrôlant la morphologie de la fissure. Contrairement à la littérature, cette étude montre que les mécanismes de fretting ne sont pas indépendants de la microstructure. En effet, pour des conditions testées identiques, les alliages à l'état UA présentent un meilleur comportement à la fissuration que ceux à l'état T8. Deux techniques d'analyses 3D ont été utilisées afin de mettre en évidence l'effet de la microstructure. L'analyse des faciès de rupture des éprouvettes de fretting-fatigue a permis de décomposer le mécanisme d'endommagement en trois étapes: amorçage en fretting, propagation sous dominance mixte de la sollicitation de fretting et de fatigue, puis propagation uniquement contrôlée par la fatigue jusqu'à rupture brutale de l'échantillon.

Ces travaux sont consacrés à l’étude des mécanismes prépondérants pouvant intervenir dans l’endommagement en fretting-fatigue pour des alliages Al-Cu-Li. Afin d’apporter des réponses, une importante étude expérimentale a été menée en 3 sections distinctes : comportement en fatigue avec concentration de contrainte dans la pièce; résistance à l’endommagement en fretting; essais de fretting-fatigue. Un effort particulier est réalisé pour déterminer l’influence de la microstructure sur ces différents mécanismes. Dans les conditions testées en fatigue, les matériaux étudiés présentent des durées de vies similaires alors que les chemins de fissuration diffèrent aussi bien au niveau macroscopique que microscopique. L’analyse EBSD de zones fissurées met en lumière l’importance de la texture pour les alliages à l’état UA à la différence de ceux à l’état T8. L’état de précipitation est cependant le facteur le plus important contrôlant la morphologie de la fissure. Contrairement à la littérature, cette étude montre que les mécanismes de fretting ne sont pas indépendants de la microstructure. En effet, pour des conditions testées identiques, les alliages à l’état UA présentent un meilleur comportement à la fissuration que ceux à l’état T8. Deux techniques d’analyses 3D ont été utilisées afin de mettre en évidence l’effet de la microstructure. L’analyse des faciès de rupture des éprouvettes de fretting-fatigue a permis de décomposer le mécanisme d’endommagement en trois étapes: amorçage en fretting, propagation sous dominance mixte de la sollicitation de fretting et de fatigue, puis propagation uniquement contrôlée par la fatigue jusqu’à rupture brutale de l’échantillon. / The influence of microstructure on the crack nucleation and growth under fretting-fatigue loading was investigated on different Al-Cu-Li alloys used for aerospace applications. The experimental study was divided into 3 distinct parts: - behaviour in fatigue with stress concentration, - crack resistance in fretting, - fretting-fatigue tests. Although all the investigated alloys exhibit a similar life time under the fatigue conditions tested, they present different (macroscopic and microscopic) crack path morphologies. ESBD analyses show that only UA-alloys were sensitive to grain orientation. The main factor influencing the crack path remains the precipitation state, because of the direct interaction with dislocation motion. Concerning the fretting tests, this study shows that cracking is not only controlled by contact conditions as assumed in the literature. For identical testing condition, UA alloys present a better behaviour in crack resistance than T8 alloys. This tendency is also true under fretting-fatigue condition. The fracture surfaces were analysed and allow to decompose fretting-fatigue mechanism in 3 steps: crack initiation induced by fretting, crack propagation under the influence of both fretting and fatigue loadings, then propagation only controlled by fatigue until final breaking.

L'objectif de ce travail est la simulation par éléments finis de la déchirure ductile des tôles minces en alliage d'aluminium 2024. La méthode est basée sur l'approche locale de la rupture. Les observations métallographiques indiquent deux mécanismes de rupture. Si la pression hydrostatique est élevée, la rupture intervient par striction interne. Dans le cas contraire, la rupture intervient par localisation de la déformation en bande à 45 degrés. Dans les éprouvettes de fissuration Kahn et M(T), les mécanismes de rupture sont identiques. Les simulations sont basées sur une extension du modèle de Rousselier incluant une représentation de l'anisotropie plastique et de la germination de porosités.<br />Un nouveau critère de plasticité anisotrope est spécifiquement développé. Il s'agit d'une extension du critère de Karafillis et Boyce (1993). Le modèle est appliqué à deux nuances dont la teneur en particules intermétalliques est différente. Les paramètres sont ajustés sur de petites éprouvettes pour le matériau à haute pureté. La transférabilité est vérifiée sur les grands panneaux M(T). Le transfert vers le matériau ayant la plus forte teneur en particules intermétalliques est fait en modifiant la taille de maille dans le même rapport que l'espacement inter-particules. Le modèle est utilisé comme un outil numérique afin d'étudier les effets de la loi d'écrouissage, d'une pré-traction ou de l'anisotropie plastique sur la résistance à la propagation de fissure. Il est alors possible de proposer des voies d'amélioration du matériau.

Dans le secteur aéronautique, la performance des alliages d’aluminium connait une amélioration continue, grâce notamment à l’optimisation des procédés d’élaboration. Dans ce cadre, le travail de recherche vise à prédire le comportement des inclusions dans un bain d’aluminium brassé par induction afin d’améliorer la propreté inclusionnaire des alliages coulés. Un modèle numérique a été développé pour simuler le comportement magnétohydrodynamique du bain d’aluminium dans le creuset suivi par la modélisation du comportement d’une population d’inclusions non-métalliques. Le modèle 2D axisymétrique en régime transitoire s’appuie sur le code de CFD commercial ANSYS Fluent, bien que de nombreuses fonctions utilisateurs aient été introduites pour simuler les phénomènes spécifiques comme l’induction électromagnétique et la résolution des bilans de population. Le modèle MHD résout dans un unique maillage les phénomènes d’induction électromagnétiques, l’écoulement turbulent du bain d’Al, la déformation de la surface libre et les effets de la présence d’une couche de métal oxydée en surface du bain. Une méthode dite de vitesse de glissement (entre les particules et le fluide) a été choisie pour simuler à la fois le transport macroscopique des inclusions dans le bain d’Al et les interactions mésoscopique entre les inclusions (c.à.d. les mécanismes d’agrégation et de fragmentation). Des campagnes expérimentales à l’échelle d’un four de laboratoire et d’une installation industrielle accompagnent le travail numérique pour le valider. Les résultats de modélisation MHD exprimés sous la forme du profil de déformation du bain sont en accord raisonnable avec les mesures faites au laboratoire. Les résultats numériques démontrent également l'effet du frottement induit par la couche d'oxyde sur le profil du bain, ainsi que sur l'écoulement à proximité de la surface du dôme. Pour des conditions opératoires du four industriel en mode de maintien, l’évolution temporelle de la population au sein du bain est calculée. Il apparaît que la séparation magnétique est très intense, particulièrement dans la peau électromagnétique, et est ainsi responsable du transport et de la capture d’une grande fraction de la population d’inclusions à la paroi du four. / With an objective of improving processing and development of aerospace aluminum alloys, the current dissertation presents experimental and numerical tools which help comprehend the behavior of a non-metallic inclusion population in an Al bath stirred by induction. The mechanisms occurring in the metallurgical reactor were separated into two interlinked issues – (i) Magnetohydrodynamics (MHD) of the induction furnace, and (ii) Inclusion population dynamics in the Al bath, which were modeled using the ANSYS Fluent software and in-house User Defined Functions. For a 2D axisymmetric geometry, numerical simulations were performed in a single framework and calculated: (i) the electromagnetic forces using the A-V formulation, (ii) the free surface deformation using the Volume Of Fluid method, (iii) the turbulent stirring of the bath using a RANS-based k-omega model and (iv) the friction force due to the oxide layer by imposing a pseudo-wall condition on the bath free surface. The steady state MHD results and the physical properties of the inclusion population were used as input data for the transient inclusion behavior modeling. A combination of the Drift Concentration Method and the Population Balance Method was developed to respectively model the mean transport of inclusions within the bath at the macroscopic scale and the inclusion interactions (turbulent aggregation and fragmentation) at the mesoscopic scale. The performance of the MHD numerical tool was evaluated by comparing the model results with experimental results at laboratory and industrial scales. The simulation results in the form of the average bath surface profile were found to be consistent with the laboratory measurements. The results also illustrated the impact of the friction due to the oxide layer on the bath surface deformation as well as on the flow near the dome interface. The inclusion behavior simulations were performed for the holding mode operation of an industrial IMF. The deduced removal frequency compared the relative importance of each phenomenon. It was found that the electromagnetic migration, especially in the electromagnetic skin, dominates the inclusion dynamics and is responsible for the capture of a large fraction of the inclusion population.

Le Cold spray est une technique de réalisation de dépôts épais par projection à haute vitesse de particules. Pour cette technologie, la température du gaz vecteur reste inférieure au point de fusion de poudres projetées. Dans ce cas, les mécanismes d’adhésion sont liés aux hautes déformations plastiques que subissent les particules lors de leur impact avec le substrat. Parmi la grande variété de poudres disponibles, trois compositions ont été retenues pour ce travail. Elles autorisent l’élaboration (i) d’alliage d’aluminium, (ii) d’acier inoxydable et (iii) de magnésium. L’ajout de particules de SiC (en fonction de leur quantité ou taille) aux poudres d’aluminium a également permis de modifier les propriétés mécaniques (telle que la dureté) des couches produites. En formant des couches denses et très peu poreuses, les revêtements cold spray présentent tous les atouts des revêtements anti-corrosion. Ce travail de thèse s’est attaché à comprendre les relations existantes entre les paramètres de projection de poudres (température et pression du gaz vecteur, concentration et tailles des particules de SiC) et la qualité du revêtement obtenu, de définir les interfaces substrat / revêtement en fonction de leur composition chimique et leurs influences sur les propriétés de protection vis-à-vis de la corrosion du substrat. D’un point de vu microstructural, les résultats obtenus montrent que l’augmentation de température du gaz améliore la densité des revêtements. En diminuant le nombre de défauts mais également en optimisant la qualité de l’interface substrat/revêtement, la résistance à la corrosion se trouve également améliorée. Sur la base des différences de potentiel entre le revêtement et le substrat, il est possible de classer la nature des couches selon (i) les revêtements sacrificiels et (ii) les revêtements cathodiques. Quel que soit leur nature, les revêtements obtenus par cold spray présentent tous de bonnes propriétés barrières. Toute fois le mode de dégradation des revêtements sacrificielles a pu être assimilé à de la corrosion intergranulaire en lien avec la morphologie du dépôt mais également la distribution et la taille de particule SiC (cas particulier du revêtement d’aluminium). Si les essais de corrosion longue durée ne permettent pas d’amorcer la corrosion du substrat après dissolution du revêtement (pour les couches sacrifielles), des essais de corrosion galvanique autorisent une discrimination rapide de l’efficacité de la couche barrière. Ces tests électrochimiques sont également l’occasion de discuter des effets de la rupture d’un revêtement sur les cinétiques de corrosion des matériaux qu’ils protègent. L’ensemble des caractérisations métallurgiques ainsi que les tests électrochimiques menés sur les différents assemblages substrat/revêtements indiquent que la technique de cold spray est une méthode de choix pour la protection des matériaux de structures vis-à-vis de la corrosion. / Cold spray is a relatively new coating technology in which coatings are produced by powders projected at high velocity. A significant feature of cold spray is that bonding is generated through severe plastic deformation at temperatures well below melting point of feedstock powders. In the present study, kinds of metallic coatings were produced by cold spray, including aluminum alloy coating, pure magnesium coating, magnesium alloy coating, stainless steel coating and SiC reinforced composite coatings. According to the manner in which the coating protects its substrate against corrosion, these cold sprayed coatings can be divided into two types, i.e. sacrificial anodic coating and noble barrier coating. The objective of this thesis is to verify the feasibility of producing both sacrificial anodic coating and noble barrier coating with high corrosion performance by cold spray, and meanwhile demonstrate the usefulness of electrochemical measurements for the characterization of corrosion protection properties of cold sprayed coatings. Besides material system, process parameters which influence corrosion performance of cold sprayed coatings were studied. Two factors, i.e. process gas temperature and process gas pressure were chosen. Results showed that higher process gas temperature leads to denser aluminum coating. Likely, higher process gas pressure improves denseness and corrosion resistance of stainless steel 316L coating. SiC reinforced aluminum based composite coatings were deposited on aluminum, stainless steel and magnesium substrate. Compared with aluminum coating, the addition of hard ceramic particle affects microstructure of coatings, and improves corrosion resistance by increasing denseness. Ceramic particle fraction and size affect coating microstructure in different ways and also influence corrosion behavior. In view of corrosion process, results indicate that corrosion protection of cold sprayed coating could be divided into two steps. In the first step, substrate is completely shielded by dense coating, no corrosion reaction occurs on substrate. In the second step, two types of coatings show totally different behavior. In the case of sacrificial anodic coating, substrate is under cathodic protection in galvanic couple; hence no corrosion (or weakened corrosion) happens on substrate. In contrast, when the coating is noble than substrate, the protection effect would be immediately interrupted once corrosive electrolyte penetrates through coating to interface. The overall results indicate that cold spray is a highly reliable alternative for production of coatings in anti-corrosion applications. Electrochemical measurements are useful tools for quality evaluation of corrosion behavior of cold sprayed coatings.

Les composites à matrice métallique ont été développés dans les années 60 initialement pour les besoins de l’industrie aérospatiale. De nos jours, les alliages d’Aluminium à durcissement structural sont souvent combinés à des particules céramiques afin d’atteindre des propriétés de résistance élevées, maintenues à haute température, tout en conservant la légèreté de l’alliage, pour un coût faible. Cependant, l’utilisation de ces alliages nécessite une bonne connaissance des transformations microstructurales ayant lieu lorsqu’ils sont soumis à certaines conditions de température puisque des phénomènes de précipitation ont lieu et impactent les propriétés de résistance mécanique du matériau. De plus, la présence du renfort, induit des modifications microstructurales majeures et notamment lors des phénomènes de précipitation de la matrice. Ainsi, ces travaux de thèse portent sur un alliage d’Aluminium à durcissement structural de la série 6xxx qui, durant son utilisation, peut être confronté à des températures comprises entre 100°C et 350°C, et ayant une séquence de précipitation complexifiée par la présence de Silicium en excès et de particules de renfort céramiques. Les objectifs visés par ces travaux sont alors : 1) De décrire l’évolution microstructurale de l’alliage d’AlMgSi à excès de Silicium étudié, avec et sans particules céramiques. Ensuite, l’évolution de la résistance mécanique a été caractérisée à partir d’un état T6 lors de traitements isothermes, 2) De prédire ces évolutions microstructurales et les propriétés mécaniques qui en découlent par des modèles à base physique. La précipitation des principales phases de l'alliage étudié a pu être prédite grâce un modèle à champ moyen basé sur des lois classiques de germination-croissance et par une approche par classes de type KWN, en tenant compte : 1) de la compétition entre la phase cohérente et semi-cohérente, 2) d'une morphologie en bâtonnet avec un rapport de forme variable et propre à la phase modélisée. Ce modèle a permis, de tracer le diagramme Temps-Température-Transformation de l’alliage et du composite tout en tenant compte de l'accélération des cinétiques de précipitation en présence de renfort et attribuée à la forte densité de dislocations. Pour finir, 2 méthodes de prédiction des propriétés mécaniques ont été confrontées : 1) Une approche empirique de type JMAK (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov), 2) une approche à base physique. Malgré une prédiction proche des résultats expérimentaux par l'approche JMAK, cette méthode ne permet pas de remonter aux mécanismes physiques à l’origine des variations observées. Ainsi, l'approche à base physique basée sur le modèle de prédiction de la microstructure constitue une alternative prometteuse pour une prédiction plus précise des évolutions de propriétés de résistance mécaniques de ces matériaux même si de nombreuses adaptations restent à faire dans le cas du composite. / Precipitation-strengthened alloys as Al-Mg-Si alloys reinforced with ceramic particles are an appropriate alternative for industrial applications. The precipitation sequence in Al-Mg-Si alloys is particularly complex when Silicon is in excess with respect to the Mg2Si composition and it is expected to be modified by the presence of the ceramic reinforcement. This is why, for industrial applications, under certain use conditions, it is fundamental to be able to predict the evolution of the microstructure in the alloy and the consequences on mechanical properties. The present work is devoted to the study of an age-hardenable Al-Mg-Si aluminium alloy which, can be facing temperatures between 100°C and 350°C in use conditions. This material is characterized by a complex precipitation sequence due to Silicon-excess and ceramic particles. The main objectives of the work are the following: 1) To describe how the microstructure evolves in the Al-Mg-Si alloy with silicon excess studied, with or without reinforcement, during a long storage period at a temperature between 100°C and 350°C. Then, it appeared necessary to describe the evolution of the mechanical properties in the same conditions but starting from a T6 state (corresponding to peak aged conditions). 2) To predict these evolutions (microstructure and strength) using an appropriate model. It was highlighted that the high silicon excess in the studied alloy leads to a simultaneous precipitation of several semi-coherent phases. Their precipitation has been predicted thanks to a KWN-type model based on classical nucleation-growth theories, validated by the experiments, and implemented considering: 1) the competitive precipitation between coherent et semi-coherent phases, 2) the rod-shape morphology of precipitates with a variable aspect ratio. This model has been used for the prediction of the Time-Temperature-Transformation diagram of the alloys and its composite considering the acceleration of the precipitation kinetics observed and attributed to the high dislocation density resulting from the presence of ceramic particles. Finally, 2 methods for the mechanical properties prediction have been compared: 1) a JMAK-type empirical approach 2) a physically based approach. The JMAK approach allowed us a quicker and easier prediction of the loss of hardness from the T6 state, for alloy and composite, during isothermal and non-isothermal treatment. Despite a prediction close to the experimental results, this approach cannot give us information about the physical mechanisms responsible for the observed mechanical variations. Then, a physically based approach taking into account the predictions of the precipitation model was used for the yield stress estimation during aging with a micromechanical model. This approach gave encouraging results and could be a powerful tool for the prediction of the strength during industrial use conditions.