Reproduction de : Thèse de doctorat : Toxicologie : Metz : 1978. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliographiques. Index.

Th.--Sci. phys.--Besançon, 1977. N°: 119.

Th. doct.-ing.--Sci. des matér.--Toulouse--I.N.P., 1984. N°: 301.

Ce travail s’inscrit dans une problématique industrielle relative à la fabrication d’échangeurs de chaleur utilisés dans les systèmes de conditionnement d’air sur avion. Ces échangeurs sont fabriqués à partir de tôles minces embouties en Ni 201, en Alliage 600 ou en AISI 444 brasées avec des tôles intercalaires et des barres de fermeture en Alliage 625. Le métal d’apport utilisé est la BNi-8, composé principalement de nickel, de manganèse, de silicium et de cuivre. Des défauts de brasage peuvent apparaître lors de la fabrication des faisceaux occasionnant un dysfonctionnement de l’échangeur. L’opération de brasage à l’échelle d’un échangeur implique un ensemble de phénomènes physiques couplés, liés au comportement thermomécanique de la structure alvéolaire, à l’hétérogénéité des conditions de brasage et à la métallurgie locale. Afin d’améliorer la compréhension des phénomènes liés au brasage, plusieurs axes d’études ont été entrepris. Dans un premier temps, le comportement du métal d’apport a été caractérisé avec l’étude des températures de fusion en fonction de la composition chimique, de la microstructure et des propriétés mécaniques associées. En parallèle, les métaux de base ont également été étudiés afin de connaître l’évolution de leur microstructure et donc des propriétés mécaniques en fonction de la température mais aussi de l’état des contraintes résiduelles présent dans le feuillard à l’issue de leur mise en forme par emboutissage. Une étude sur les tôles emboutis a également permis d’appréhender le comportement de ces produits minces en compression à chaud. Pour finir, afin de se rapprocher des conditions réelles de brasage en milieu industriel, des études ont été menées sur le couplage métal d’apport/métal de base d’un point de vue métallurgique mais aussi mécanique. L’ensemble de ces études a pour objectif de mieux appréhender les phénomènes mis en jeu pendant le cycle de brasage et de proposer des améliorations pour le procédé (géométrie des intercalaires, cycles thermiques, matériaux utilisés, etc.). / This work is devoted to improving the manufacturing process of heat exchangers used in aerospace applications. Heat exchangers included in air conditioning systems for aircraft are produced by brazing stamped thin alloys sheets made of nickel-based alloys, Alloy 600 and Ni 201, or stainless steel, AISI 444. Separation metal sheets and locking bars of Alloy 625 are used to complete the system. The used brazing filler metal BNi-8 is mainly composed of nickel, manganese, silicon and copper. However, brazing defects appear during the manufacture of theheat exchangers can lead to non-integrity of the components. In order to improve the understanding of the phenomena related to brazing, several axes of investigation have been considered. Firstly, the behavior of the brazing filler metal was characterized by studying the melting temperatures as a function of the composition, the microstructure and the associated mechanical properties. In parallel, the base metals were also studied in order to know the evolution of the microstructure and therefore the mechanical properties as a function of the temperature but also of the state of stress present in the metal sheet induced by the stamping. Studying of stamped thin alloys sheets also allowed to understand the behavior of these thin products in hot compression. Finally, in order to get closer to the actual brazing conditions in industrial environment, studies of the coupling of brazing filler metal/base metal from a metallurgical and mechanical point of view have been carried out. All of these studies pursue aim to better understand the phenomena involved during the brazing cycle and to propose improvements for the brazing process (geometry of stamped thin alloys sheets, thermal cycles, used materials, etc.).

Cette étude porte sur la sensibilité à la fragilisation par l'hydrogène (FPH) d'un alliage base nickel, l’Inconel 718 issu d’un procédé de fabrication additive (FA), sous sollicitation cyclique. Cematériau est utilisé pour la réalisation de certains composants des ensembles propulsifs d’Ariane qui sont fabriqués par Ariane Group. Dans ce domaine, certaines pièces sont sollicitées sous « ambiancehydrogène ». Ainsi, le risque de fragilisation de ces pièces est une problématique de premier ordre.Pour cela, nous avons caractérisé l’état métallurgique d’un Inconel 718 FA à différentes échelles structurales afin d’observer un possible impact du procédé de mise en œuvre sur la microstructure, puis d’envisager sa conséquence sur le comportement mécanique et la sensibilité à la FPH de l’alliage. Notons que nous avons conduit une étude plus réduite sur un alliage forgé afind’avoir des éléments de comparaison. Afin de comprendre les mécanismes de fragilisation par hydrogène de l’Inconel 718 FA, il est nécessaire de connaitre l’état et la mobilité de l’hydrogène dans le matériau. Des analyses deperméation électrochimique (PE) et gazeuse (PG), ainsi que de spectroscopie de désorption thermique (TDS) apportent des éléments de compréhension des mécanismes de piégeage et de diffusion de l’hydrogène. Ils permettent de discuter l’implication des joints de grains dans les mécanismes dediffusion ainsi que l'effet des hétérogénéités microstructurales sur les mécanismes de piégeage dans l’Inconel 718 FA.D'autre part, l’influence de l’hydrogène sur le comportement mécanique a été questionnée en traction et en fatigue oligocyclique en terme de comportement élasto-viscoplastique, de processus d’initiation, de propagation de fissure en fatigue et de ténacité. Dans ce cadre nous présentons, dans unpremier temps, l’étude du comportement en traction et sa sensibilité à l’hydrogène pour l’Inconel 718 FA. Nous questionnons lors de cette partie l’effet de la vitesse de sollicitation sur les mécanismes defragilisation ainsi que sur les différentes interactions hydrogène/matériau. Des essais de traction interrompue ont été réalisés afin de questionner l’effet de l’hydrogène sur le comportement viscoplastique et notamment questionner les interactions hydrogène/plasticité.Dans un deuxième temps, le comportement en fatigue de l’Inconel 718 FA en présence d’hydrogène gazeux est interrogé à l’aide d’essais de fatigue pour un rapport de charge, R de 0,1 sous une pression d’hydrogène de 300 bar. Il est clairement mis en évidence une réduction du nombre decycles à rupture en présence d’hydrogène ainsi qu’un changement de mode de rupture. L’impact de l’hydrogène a été évalué sur les étapes d’initiation et de propagation de fissures ainsi que sur la ténacité du matériau en fonction de la métallurgie de l’alliage.L'ensemble des résultats obtenus permettent une discussion de la sensibilité du matériau à la FPH, tenant compte en particulier des interactions hydrogène/plasticité. / This study focuses on the hydrogen embrittlement sensitivity (HE) under cyclic loading of a nickel based alloy, Inconel 718, manufactured by the additive manufacturing process (AM). This material is used in some components of Ariane cryogenic engines that are manufactured by ArianeGroup. Some of these components are solicited under "hydrogen atmosphere", and the risk of embrittlement is a major problem.The metallurgical states of the Inconel 718 AM alloy have been characterized at different structural scales in order to observe a possible impact of the manufacturing process on the microstructure and discuss the possible consequences on the mechanical behaviour of the alloy underhydrogen pressure. Moreover, a forged alloy has also been studied for comparison.To discuss the mechanisms of hydrogen embrittlement in the material, it is first necessary to study the hydrogen behaviour in the material. Electrochemical and gaseous permeation analyses as well as TDS were performed to provide insights into the mechanisms of hydrogen diffusion. Fromthese results, the involvement of grain boundaries in the diffusion mechanisms and the effect of microstructural heterogeneities on the trapping mechanisms in this material have been discussed.On the other hand, the influence of hydrogen on the mechanical behaviour has been investigated under monotonic and cyclic loading in terms of elasto-viscoplastic behaviour, crack initiation process, fatigue crack propagation and toughness. In a first part, the tensile behaviour of the Inconel 718 AMunder hydrogen pressure has been considered. The effects of the loading rate on the mechanisms of embrittlement have been addressed. Moreover, interrupted tensile tests have been carried out to identify the effect of hydrogen on the viscoplastic behaviour and allowing to discuss hydrogen /plasticity interactions.The fatigue behaviour of Inconel 718 AM in the presence of hydrogen gas was investigated by cyclic tests for a 0.1 load ratio (R) under a 300 bar H2 at room temperature. It has been shown that hydrogen leads to a clear decrease of the number of cycles to rupture and to a change in failure mode.The impact of hydrogen has been evaluated on the fatigue crack initiation and propagation stages as well as on the toughness of the material.Finally, all the obtained results allowed a discussion of the hydrogen embrittlement sensitivity of the material, taking into account the hydrogen / plasticity interactions.

Lorsque le produit de la réaction d'un gaz sur un solide métallique est un composée solide stable dans les conditions expérimentales, sa présence à la surface du métal ne permet plus un contact direct entre les deux réactants. Dans certains cas, le produit formé assure un effet protecteur complet et la réaction s'arrête. Mais il en est rarement ainsi et généralement le gaz ou le métal diffusé à travers le produit formé; ce qui permet à la réaction de se poursuivre. La cinétique du processus est alors réglée par la vitesse des étapes successives, qui décrivent cette diffusion, chacune d'elles peut être schématisée par le saut d'une particule dans le réseau cristallin. On peut alors distinguer deux cas : L'élément gazeux a un coefficient de diffusion supérieur à celui de l'élément métallique. Le produit formé croît au détriment de la matrice métallique et la zone diffusionnelle se limite à la couche formée. L'élément gazeux a un coefficient de diffusion inférieur à celui de l'élément métallique. Le produit formé croît par l'extérieur de l'oxyde et il est naturel d'envisager une diffusion dans le produit formé et dans la matrice métallique alors constituée par des atomes métalliques et des lacunes. Cette diffusion sans la matrice métallique permet de rendre compte de la consommation du métal. Si la diffusion dans la matrice joue un rôle important sur la vitesse du processus, elle peut également intervenir sur la nature et la localisation des produits formés à partir d'un alliage. La réactivité des différents éléments alliés avec le gaz est en effet déterminée par les conditions thermodynamiques de l'expérience. Ces conditions font intervenir la fraction atomique de chaque élément dans l'alliage. Il s'ensuit que la diffusion d'un ou plusieurs éléments dans la matrice métallique, modifiant le profil des concentrations, peut faire varier les conditions thermodynamiques et par suite la nature des produits formés. On conçoit ainsi l'importance de la nature des milieux diffusionnels sur les processus cinétiques, cela nous a conduits à élaborer un modèle de diffusion mixte dans les deux milieux en tenant compte de la consommation du métal au cœur de l'échantillon où se créé un évidement Ce modèle valable pour les métaux purs s'applique à des alliages binaires monophasés qui subissent une oxydation sélective des éléments. Du point de vue expérimental, nous nous sommes attachés à obtenir le maximum de renseignements relatifs d'une part à la composition et à la localisation des produits formée et d'autre part à l'influence de la teneur en éléments de la matrice métallique.

Cette thèse contribue au remplacement du revêtement de Stellite 6 utilisé aux zones de frottement dans le circuit primaire du réacteur à neutron rapide. Elle comprend trois parties : 1) Une étude bibliographique afin de présider au choix des matériaux de remplacement et du procédé de dépôt. 2) Une étude paramétrique en vue d’obtenir des dépôts sains (bonne adhésion avec le substrat, peu de porosité, absence de fissure, dilution faible). 3) Une étude du comportement tribologique des dépôts réalisée pour deux valeurs de température. Ces essais tribologique ont été réalisés sous atmosphère inerte afin d’évaluer la résistance à l’usure des matériaux choisis sans l’influence d’une éventuelle couche d’oxydation. De l’étude bibliographique il ressort les choix suivants mis en oeuvre dans notre étude : * le procédé projection laser qui présente des avantages tels que :- Bonne adhésion (métallurgique)- Vitesse de refroidissement élevée- Taux de dilution faible- Large plage paramétrique *deux alliages base nickel : le Colmonoy-52 et le Tribaloy-700. Ces alliages présentent un bon comportement tribologique à sec et sont déposables par laser.Pour la partie obtention d’un dépôt sain, tout d’abord nous avons caractérisé la poudre métallique. Ensuite, une recherche paramétrique a été conduite afin de disposer d’un jeu de paramètres qui permette d’obtenir un dépôt sain de Stellite 6 (référence), de Colmonoy-52 et de Tribaloy-700. A cette occasion, les relations entre trois paramètres principaux du procédé de projection laser (puissance du faisceau laser, vitesse de balayage de la surface, débit de poudre) ont été investigués en relation avec la microstructure et la composition chimique finale du dépôt.Lors de l’étude tribologique, un tribomètre de type pion-disque a été utilisé et les essais de frottement ont été réalisés sous atmosphère d’argon, à température ambiante et à 200°C. Les mécanismes d’usure ont été identifiés pour les 3 matériaux et leur contre pièce (bille en AISI 316L). Les volumes usés ont quant à eux été analysés en fonction de la charge appliquée et l’effet de la température. / This thesis contributes to the replacement of the coating of Stellite 6 which is used in friction areas for the primary circuit of the reactor fast neutron.It contains three parts:1) A literature review for selecting the materials and the deposition process2) A parametric study to get healthy deposits (good adhesion with the substrate, little porosity, no cracks, low dilution)3) A study wear behavior of deposits obtained, at high temperature (200°C) under an atmosphere inert gas, to determine the wear resistance of materials selected without the influence of an eventual oxidation layer.From the literature review, it appears the following choices implemented in our study : * the method laser cladding with advantages such as: - Good adhesion (metallurgical) - High cooling speed - Low dilution rate - Wide parametric range * two nickel-based alloys: Colmonoy-52 and Tribaloy-700. These alloys have good dry wear behavior and could be deposited by the laser. In the manufacturing part of the healthy deposit, firstly, we characterized the metal powder. Then, a parametric study was performed to look for a good parametric range that makes us getting a healthy deposit of Stellite 6 (reference) of Colmonoy-52 and Tribaloy-700. In this case, relationships among three main process parameters laser cladding (laser beam power, surface scanning speed, rate of powder) with the microstructure and chemical composition of the deposit are studied. In study the wear behavior, a pin-on-disc type of tribological was used and tests were carried out in argon at room temperature and 200°C. We investigated the wear mechanism of the best deposition of Stellite 6, Colmonoy-52 and Tribaloy-700. The wear resistance of these materials were thourghly compared.

L'usinabilité des composants en acier PM est nettement inférieure à celle des aciers corroyés en raison de la présence de porosité résiduelle et de l'hétérogénéité de leur microstructure. Les problèmes liés à l'usinabilité constituent une part importante des coûts de production globaux des pièces en acier PM. La stratégie la plus populaire pour améliorer leur usinabilité consiste à mélanger un composé chimique, tel que MnS, MoS2 ou BN-h, à la poudre de base. Ces améliorateurs d'usinabilité améliorent le comportement d'usinage des aciers PM en diminuant les forces de coupe impliquées dans la formation de copeaux et en lubrifiant la surface de l'outil de coupe, ce qui en retour réduit à la fois l'usure en flanc et l'usure en cratère. Cette étude met en évidence une nouvelle approche pour développer des activateurs d'usinabilité conçus pour maximiser l'usinabilité des composants d'acier PM sans affecter les propriétés mécaniques ni la résistance à la corrosion. Ainsi, il a été décidé de revêtir les particules de MnS d'une couche de nickel pouvant agir comme une barrière pour neutraliser leur nature hygroscopique et augmenter la résistance à la corrosion des pièces en acier PM. De plus, il a été prévu que les propriétés mécaniques peuvent être améliorées en raison de la formation de liaisons métallurgiques entre le revêtement de nickel des particules de MnS et la matrice d'acier, tandis que le MnS améliore simultanément l'usinabilité de la pièce en acier PM. Une comparaison avec des additifs d'usinage commerciaux a été effectuée en termes d'usinabilité et de propriétés mécaniques. Il a été constaté que la résistance à la corrosion des échantillons contenant du MnS recouvert de nickel était excellent et identique à celle des échantillons sans additifs. De plus, les propriétés mécaniques ne sont pas affectées par la présence de l'additif nouvellement développé par rapport à ce qui a été mesuré lorsque le MnS a été utilisé. Enfin, la caractérisation de l'usinabilité a montré que l'ajout du MnS revêtu de nickel comme additif d'usinage pouvait améliorer l'usinabilité aussi bien que le MnS. / Machinability of PM steel components is significantly lower than that of wrought steels due to the presence of residual porosity and the heterogeneity of their microstructure. Machinability-related issues constitute a significant portion of the overall production costs of PM steel parts. The most popular strategy for improving their machinability involves admixing a chemical compound, such as MnS, MoS₂ or BN-h, to the base powder. These machinability enhancers improve the machining behavior of PM steels by decreasing the cutting forces involved with chip formation and by lubricating the surface of the cutting tool, which in return, reduces both flank wear and crater wear. This study highlights a novel approach for developing machinability enhancers engineered to maximize the machinability of PM components without affecting their mechanical properties nor corrosion resistance. Thus, it was decided to coat MnS particles with a nickel layer that can act as a barrier to neutralize their hygroscopic nature and increase the corrosion resistance of PM steel parts. Moreover, it was anticipated that mechanical properties could be improved due to the formation of metallurgical bonds between the nickel coating of the MnS particles and the steel matrix, while the MnS core of the additive would improve machinability of the PM steel component simultaneously. A comparison with commercial machining additives was performed in terms of both machinability and mechanical properties. It was found that the corrosion resistance of the samples containing nickel-coated MnS was excellent and identical to that of samples without additives. Moreover, mechanical properties are not affected by the presence of the newly developed additive compared to what was measured when MnS was used. Finally, machinability characterization showed that the addition of the nickel-coated MnS as a machining additive could improve machinability as well as MnS does.

Cette étude porte sur la formation et l'oxydation de couches minces d'alliages Al-Ni après dépôt d'Al, à 130 K, sur un monocristal de Ni(111), sous UHV. Leur composition, leur structure, en surface et en volume, et leur relation d'épitaxie ont été déterminées in situ par analyse par faisceau d'ions, diffraction d'électrons lents et spectroscopie Auger, en fonction de la quantité d'Al déposée et de la température de recuit. La formation d'une couche ordonnée et épitaxiée de Ni3Al(111) est suivie, au-delà d'une épaisseur critique d'Al de 3,8 nm, par celle d'une couche ordonnée et relaxée de NiAl(110). La cinétique de formation de ces couches alliées est complexe et correspond probablement à une croissance hétérogène. En oxydant à 300 K puis en recuisant à 1000 K ces alliages minces on obtient une couche ultramince (épaisse d'environ 5 Å) d'oxyde d'aluminium épitaxiée sur Ni(111), de stoechiométrie voisine d'Al2O3.

La fissuration à chaud de solidification qui est l'un des problèmes majeurs rencontrés dans le cadre du soudage pourrait être préjudiciable à la tenue en service de structures mécano-soudées. Ce phénomène correspond à la formation de fissures en fin de solidification sous l'effet des déformations induites par les contraintes thermiques et le retrait de solidification. Ces travaux de thèse portent sur la modélisation de la fissuration à chaud dans un alliage base nickel en soudage TIG. L'objectif est de proposer une méthodologie permettant d'estimer le risque de fissuration dans l'Inconel 600. Pour cela des essais de soudage instrumentés en température ont été développés de manière à déterminer les conditions d'apparition et de propagation du défaut. Ces essais ont ensuite été modélisés dans l'optique d'établir un critère de fissuration fondé sur la déformation de l'alliage en fin de solidification, déformation qui ne peut être mesurée expérimentalement. La principale valeur ajoutée de cette étude réside dans le fait que le comportement viscoplastique du matériau utilisé lors de la modélisation a été déterminé expérimentalement de la température ambiante à la zone de transition pâteuse au moyen d'essais de caractérisation mécanique spécifiques. Les essais réalisés à l'état semi-solide pour des températures avoisinant 1400 °C ont notamment alimenté un modèle de zone cohésive permettant de modéliser la propagation des fissures. Cette approche couplant expériences et modélisation a ainsi conduit à l'identification d'un critère de fissuration à chaud intrinsèque à l'Inconel 600. / Hot cracking which is one of the major problems in welding may be prejudicial to the safety of welded structures. This phenomenon corresponds to the formation of irreversible cracks at the end of solidification, due to tensile strains associated with solidification shrinkage and thermal contraction. This work focuses on the hot cracking modeling during the welding of a Nickel based alloy. The aim is to propose a methodology which allows estimating the hot cracking risk in the Inconel 600 alloy. To achieve that purpose, self-restrained welding tests with temperature measurements have been developed in order to identify the conditions leading to the defect formation and propagation. These tests have then been modeled to establish a hot cracking criterion based on the strain applied on the alloy at the end of solidification, strain which cannot be experimentally measured. The originality of this study consists in the fact that the viscoplastic behaviour of the studied material (used for thermomechanical modeling) has been determined experimentally from room temperature up to the mushy zone using specific set-ups. Mechanical characterization tests performed in the semi-solid state at temperatures approaching 1400 °C also allowed feeding a cohesive element model leading to crack propagation modeling. This approach coupling experiments with modeling thus led to the identification of a hot cracking criterion intrinsic to Inconel 600.