La première partie de ce mémoire donne un panorama des trente années de recherche passées au sein de la R&D d’EDF dans le domaine du chauffage par induction dans l’industrie. Les différentes actions menées ont porté sur différentes thématiques : les travaux de modélisation numérique, l’expertise en chauffage par induction dans ses secteurs traditionnels, le développement de solutions innovantes dans d’autres secteurs industriels, La conduite de projet internes R&D puis projets externes avec des financements publics français ou européens, le rayonnement international et le soutien aux jeunes.La deuxième partie présente une synthèse des travaux scientifiques les plus marquants qui ont abouti à la réalisation d’un logiciel d’optimisation des installations de chauffage par induction de billettes afin d’en améliorer les performances énergétiques. La modélisation numérique du chauffage est abordée en 1D par le couplage entre un calcul électromagnétique par la méthode des éléments finis et pas à pas dans le temps et un calcul thermique transitoire par la méthode des différences finies implicites. Le domaine de validité du modèle 1D a été étendu par la mise en place de coefficients correctifs sur le champ magnétique. Les travaux concernant l’inducteur permettent de décrire précisément leur comportement électrique (résistance) et thermique (refroidissement) ; une solution de récupération est même proposée. La modélisation simplifiée de l’onduleur à résonance alimentant l’inducteur permet de décrire son comportement global sans devoir entrer dans les détails de fonctionnement de l’électronique de puissance : suivi de la fréquence de résonance du circuit oscillant, adaptation des consignes à l’impédance du circuit et aux limitations du générateur. Les données électromagnétiques des matériaux et leur évolution avec la température sont mesurées à l’aide d’un équipement conçu sur-mesure. Ces différents travaux sont validés par comparaison avec des modèles numériques plus complexes et avec des expérimentations. Des processus d’optimisation énergétique de la chauffeuse ont été élaborés agissant, soit sur les paramètres électriques de la ligne, soit sur la conception d’un nouvel inducteur.Mémoire de doctorat présenté dans le cadre de la « Validation des Acquis par l’Expérience » / The first part of this dissertation gives an overview of thirty years of research work done in the frame of EDF R&D Division in the domain of industrial induction heating. The different works concerned many themes: numerical modelling, expertise in induction heating in conventional sectors, development of innovative solutions in other industrial sectors, project management inside EDF first, then collaborative projects with French or European financial support, international recognition and support for young researchers.The second part shows a summary of the most relevant scientific works which leaded to a software of billet induction heating optimisation in order to improve its energy efficiency. Numerical modelling is approached in a 1D configuration, coupling an electromagnetic model using a finite elements and step by step in time method with a thermal transient model using an implicit finite difference method. The validity domain is extended thanks to the use of an attenuation coefficient applied to the magnetic field. Works regarding inductor allows to describe more accurately the electrical (resistance) and thermal (cooling) behaviour; a solution for energy recovery is also proposed. The simplified model of the resonant inverter supplying the inductor allows to describe globally its behaviour without going deep in the details of the power electronics: following the resonant frequency of the oscillating circuit, adapting the set points to the circuit impedance and the power supply limitations. Electromagnetic physical data of metals and their evolution with temperature are measured with a tailor-made equipment. All these works are validated by comparison with more complex numerical models or with experiments. Energy optimisation procedures for the heating device are developed, acting either on the line electrical parameters or on the design of a new inductor.PhD dissertation presented in the frame of the “Validation of Professional Experience”

Dans un contexte de réduction des émissions de CO2 dans les systèmes industriels et d’amélioration de leur efficacité énergétique, les chauffages par induction répondent à ces critères. Le procédé consiste à plonger un corps conducteur d’électricité dans un champ magnétique variable, induisant ainsi des courants au sein de la pièce qui se met alors à chauffer par effet Joule. Cette technologie présente l’avantage d’atteindre des températures élevées de manière précise et rapide, sans contact avec la source d’énergie. Si aujourd’hui le contrôle de tels procédés passe par la structure mécanique du chauffage, de nombreuses études ont montré que l’association de plusieurs bobines alimentées par des systèmes d’électronique de puissance fournit une souplesse dans le contrôle des profils de température et une flexibilité vis-à-vis des pièces traitées. Ce travail présente deux systèmes de chauffage par induction. Le premier est un prototype réalisé par EDF considérant trois inducteurs alimentés par trois onduleurs à résonance. Nous nous y intéresserons plus particulièrement par la suite. Le second, en cours de réalisation, met en jeu six inducteurs pour du chauffage au défilé. Leurs caractéristiques, leurs alimentations et leurs fonctionnements sont abordés pour ensuite mettre en place deux modélisations des phénomènes électriques, l’une sous forme de fonctions de transfert, la seconde dans l’espace d’état. L’objectif final est le développement d’une alimentation auto-adaptative capable de contrôler en temps réel le profil de puissance injecté dans les pièces à chauffer afin d’atteindre un profil de température requis avec le minimum d’énergie consommée. L’étude se poursuit avec un inventaire des solutions existantes en termes de commande en boucle ouverte et en boucle fermée des systèmes mono-inducteurs, ainsi que des travaux, plus rares, pour les chauffages multi-inducteurs. De plus, des études ont montré que le contrôle de la température à la surface d’une pièce à chauffer passait par le contrôle des courants dans les inducteurs, en amplitude mais également en phase. C’est pourquoi nous proposons des lois de commande pour asservir les courants dans les inducteurs. Une routine d’optimisation fournit les amplitudes et les phases des courants dans les trois inducteurs permettant d’obtenir le profil de température le plus proche d’un profil de référence. Nous l’avons modifiée de façon à tenir compte de solutions énergétiquement optimisées en intégrant les pertes dans les interrupteurs et les inducteurs. Deux lois de commande originales sont proposées. La première étudie une commande robuste dans l’espace d’état par placement de vecteurs propres. La seconde met en jeu des correcteurs résonants qui confèrent à la boucle du système un module de gain infiniment grand à la fréquence de résonance de sorte qu’ils effacent les effets des perturbations agissant à cette même fréquence. Les méthodes de synthèse de ces correcteurs sont échantillonnées avec un très faible rapport fréquence d’échantillonnage/fréquence de résonance ; les performances sont détaillées et analysées pour le prototype à trois inducteurs. Pour tester plus facilement et valider en partie les lois mises en place, un simulateur analogique a été conçu, sorte d’émulateur reproduisant le comportement des courants dans les inducteurs et des tensions à leurs bornes. Il se base sur la modélisation sous forme de fonctions de transfert et ne comprend donc pas d’onduleur. Par l’intermédiaire d’une carte dSPACE intégrant un DSP, nous avons implanté et validé les deux lois de commande robustes sur le simulateur analogique. Par la suite, pour se rapprocher du système réel, nous avons mis en place une commande rapprochée transformant les trois signaux de commande en sortie des correcteurs vers les rapports cycliques des douze interrupteurs des convertisseurs alimentant les inducteurs. Cette étape a été validée par des essais expérimentaux réalisés en parallèle de nos études. / In the context of reducing carbon dioxide emissions in industrial systems and improving their energy efficiency, induction heaters meet these criteria. The method consists in immersing an electrically conductive body in a variable magnetic field, inducing currents within the piece which then begins to heat by Joule effect. This technology has the advantage of reaching high temperatures accurately and quickly, without contact with the power source. Today the control of such works with mechanical structures. But many studies have shown that the combination of several coils supplied by electronic power systems provides flexibility in controlling temperature profiles and flexibility towards the treated parts. This paper presents two systems of induction heating. The first is a prototype made by EDF considering three inductors supplied by three resonant inverters. We will focus more specifically later on this prototype. The second one, in progress, involves six inductors for scrolling heating. Their characteristics, their power supplies and their functions are discussed and then set up two models of electric phenomena, one form of transfer functions and one form in the state space. The final objective is the development of a self-adaptive power able to control real-time power profile injected into parts of heating to achieve a temperature profile required with minimum energy consumption. The study goes on with a list of existing solutions in terms of open-loop control and closed-loop control for single inductor system, as well as few rarer works for multi-inductors heaters. In addition, studies have shown that control of the surface temperature of the piece to be heated passes by the control of currents in the inductors, in magnitude but also in phase. That is why we propose control laws for controlling inductor currents. An optimization routine provides the magnitudes and phases of the currents in the three inductors to obtain the temperature profile closer to a reference profile. We modified it to take into account energy optimized solutions by integrating the losses in the switches and inductors. Two original control laws are proposed. The first one studies a robust control in the state space by placing eigenvalues and eigenvectors. The second one involves resonant markers that give the system loop gain module infinitely large at the resonant frequency so that they erase the effects of disturbances acting at the same frequency. The methods of synthesis of these markers are sampled with a very low sampling frequency / resonant frequency ratio; performance are detailed and analyzed for the prototype with three inductors. So as to test and validate easily some of the studied laws, an analog simulator was designed, a kind of an emulator, which reproduces the behaviour of the currents in the coils and the voltages at their terminals. It is based on the transfer function model and therefore does not include inverters. Through a dSPACE card integrating a DSP, we have implemented and validated the two robust control laws on the analog simulator. Thereafter, in order to be closer to the real system, we have established a close control which turns the three control signals toward the duty cycles of the twelve switches of the converters supplying the inductors. This step was validated by experimental tests carried out in parallel with our studies.

Afin de permettre l’utilisation de hautes fréquences dans le domainedu chauffage par induction industriel, l’emploi d’inducteurs multibrins est envisagé.Or, les pertes occasionnées dans ces inducteurs peuvent être importantes etdépendent fortement de leur géométrie interne qui est complexe. Pour faciliter laconception d’inducteurs multibrins à faibles pertes, il est nécessaire d’en comprendrele comportement électromagnétique. Dans cette thèse, nous présentons ledéveloppement d’un logiciel de calcul parallèle dévolu à la modélisation électromagnétique3D d’inducteurs multibrins. Nous décrivons une méthode originale deconstruction de la géométrie des inducteurs. Ce logiciel est basé sur une méthodenumérique de type intégrale ayant l’avantage de ne pas nécessiter le maillage desespaces entre les brins. L’emploi du calcul parallèle est une des grandes forces de celogiciel. Les études réalisées montrent l’impact de la géométrie sur le comportementde ce type d’inducteur. / In order to enable to use high frequencies in the domain of the industrialinductive heating, the use of multi-wires inductors is considered. But, lossesoccurring into that inductors can be important and strongly depend on their complexinternal geometry. To facilitate the design of lossless multi-wires inductors, it isnecessary to under stand their electromagnetic behavior. In this thesis, we presentthe development of a software of parallel computation intended to the 3D electromagneticmodeling of multi-wires inductors. We describe an original method ofbuilding of the geometry of that inductors. This software is based on an integralmethod in which the meshing of spaces between the wires is unnecessary. The useof parallel computing is one of the great forces of this software. The studies werealized show the impact of the geometry on the behavior of that type of inductor.

L’acier inoxydable martensitique à l’azote XD15NW (Fe–15,5%Cr–0,4%C–0,2%N–1,7%Mo–0,3%V) est un candidat attractif pour les bagues de roulement des moteurs spatiaux. Il possède de bonnes propriétés mécaniques et une bonne résistance à la corrosion grâce à l’azote qui contribue à la formation de précipités de petite taille dans une matrice à grains fins. Nous avons étudié les évolutions microstructurales de cet acier au cours d’une succession de traitements thermiques: austénitisation et trempe, revenu, traitement de surface par induction. Outre les techniques usuelles d’analyse microstructurale (MEB, MET, dilatométrie), nous avons utilisé la diffraction des rayons X de haute énergie in situ (rayonnement synchrotron). Cette technique nous a permis d’obtenir les cinétiques d’évolution des phases en fonction de la température et du temps, les gradients de microstructure au sein de pièces traitées par induction en surface et les évolutions de paramètres de maille des phases / The nitrogen martensitic stainless steel XD15NW (Fe–15,5%Cr–0,4%C–0,2%N–1,7%Mo–0,3%V) is an attractive candidate for the bearing rings of the space engines turbopumps. It owns good mechanical properties and a good corrosion resistance thanks to the nitrogen which contributes to the formation of little size precipitates in a fine grains matrix. The microstructural evolutions of this steel during a succession of thermal treatments were studied: austenitisation and quenching, tempering, induction surface heat treatment. In addition to the usual techniques of microstructural analysis (SEM, TEM, dilatometry), the in situ high energy synchrotron X-ray diffraction was used. It allowed to obtain the evolution kinetics of the phases as a function of temperature and time, the microstructural gradients in induction treated samples and the lattice parameters evolutions which are linked to the chemical composition or the internal stresses evolutions of the phases

Ce travail montre la mise en œuvre d'une technique originale pour le chauffage rapide et bien contrôlé de catalyseurs sous forme de films minces déposés sur un structurant métallique. L'utilisation d'un système à induction électromagnétique adapté à un réacteur catalytique de type annulaire nous a permis d'étudier un certain nombre de matériaux catalytiques, déposés sur acier inoxydable, dans une perspective d'oxydation totale en CO2 et H2O de composés organiques volatiles (COV) présents dans l'air. La combustion de l'isopropanol et du toluène par l'oxygène de l'air a été étudiée en utilisant différents catalyseurs déposés sous forme de films minces: 1%Pt/Al2O3, 0,3%Pt/SnO2, 1%Pt/SnO2 et 1%Pt/YSZ. Les solides ont été préparés par imprégnation des oxydes correspondants par H2PtCl6 puis ont été déposés sur le support d'acier inoxydable par électrophorèse. Les principaux paramètres relatifs au mode de chauffage ont été étudiés de même que l'influence sur la conversion des COV de différents facteurs tels que la quantité de catalyseur, le pourcentage de platine ou la nature du support oxyde employé. Les informations fournies par ce système innovant ont également été comparées pour validation à celles obtenues à l'aide d'un système classique (microréacteur en quartz à lit traversé chauffé de manière conventionnelle) pour une réaction de référence qui est l'oxydation de CO en CO2. Le système décrit dans cette étude présente d'une part un intérêt pratique pour le traitement rapide de contaminations accidentelles de l'air ambiant, mais est aussi un très bon moyen d'obtenir des paramètres cinétiques fiables dans le domaine des catalyseurs en films minces utilisés dans de nombreux réacteurs structurés / This study shows the development of an innovative technique for a fast and well-controlled heating of catalysts deposited as thin films on a metallic support. The use of an electromagnetic induction system fitted to an annular catalytic reactor enabled us to study some catalytic materials deposited on stainless steel. The target application was the abatement of volatile organic compounds (VOCs) in the air. Isopropyl alcohol and toluene combustion by the oxygen was studied on various thin films catalysts, i.e. : 1%Pt/Al2O3, 0,3%Pt/SnO2, 1%Pt/SnO2 et 1%Pt/YSZ. Solids were prepared by wet impregnation of the corresponding oxides by H2PtCl6 and were deposited on the stainless steel support using an electrophoretic deposition technique. The main parameters of the heating system were investigated as well as the influence on VOCs abatement of various parameters such as the thickness of catalyst film, the platinum amount and the nature of the oxide. For validation purpose, the data provided by this innovative system were also compared to the ones provided by a classical one (quartz plug-through microreactor heated in a conventional way) in a reference reaction which was CO oxidation into CO2. The system described in this study shows on the one hand a real practical interest for fast remediation of indoor air polluted by VOCs, and on the other hand is a very powerful tool for obtaining kinetic data about thin layer catalysts used in many structured reactors

Ce travail porte sur l'étude du comportement sous sollicitation de fretting sirnple à haute température de superalliages monocristallins à base de nickel MC2 et CMSX-4. Il trouve son application dans le domaine aéronautique, plus précisément au niveau de la turbine haute pression des moteurs d'hélicoptère. Celle-ci a pour fonction de convertir l'énergie cinétique des gaz brûlés en un couple qui entraîne en rotation le compresseur. Elle participe ainsi directement à l'entretien du cycle de combustion du moteur ce qui fait d'elle un organe clé. Située directement en aval de la chambre de combustion, la turbine haute pression (HP) est composée d'un disque central polycristallin et d'aubages monocristallins rapportés, liés au disque par une liaison dite pied de sapin. La rotation de la turbine et la température élevée des gaz de combustion va générer sur les aubes, le disque et l'attache qui les relie，des sollicitations thermomécaniques importantes. Du fait de la force centrifuge et du défilement des aubes devant les étages fixes des distributeurs, l'attache pied de sapin est la cible d 'oscillations dynamiques à l'origine de phénomènes d'endommagement par fretting. Ce fretting,, l'interface de contact entre l'aube et le disque fait l'objet d'une attention toute particulière，ce qui a motivé la conduite de ces travaux. Après une première phase et développement et de validation d'un banc d'essai innovant qui a nécessité la mise en place d'un dispositif de chauffage par induction, un soin tout particulier est apporté à la préparation des échantillons. La nature monocristalline du matériau constitutif des aubes nécessite en effet de respecter précisément l'orientation de la microstructure par rapport aux axes de sollicitation et la surface de contact. Pour cela une mesure systématique de la désorientation des axes primaires et secondaires des barreaux bruts est réalisée. La désorientation relevée est ensuite compensée au cas par cas lors du prélèvement par électroérosion des échantillons. Le lot d'échantillons obtenu peut dès lors être considéré comme homogène en terme d'orientation, malgré le fait que les barreaux bruts présentent des désorientations différentes. [...] / The aim of this work is to study the behavior of MC2 and CMSX-4 nickel based superalloys when subjected to fretting load at high temperature. Since it drives the compressor shaft, the high pressure turbine is a key part of the helicopter engine. 1n order to increase the global reliability and efficiency of the engine, single crystal nickel based superalloys are employed for turbine blades while disk parts are made of polycrystalline materials. Each turbine blade is attached to the central disk via a special link called fir tree root. Due to high temperature and dynamic oscillations, the contact zone between blades and disk is subjected to high thermomechanical stresses. 1t causes fretting phenomena that can lead to wear and cracking damage. This work focuses on both the partial slip and gross slip regime in order to study the damage process of single crystal MC2 and CMSX-4 materials. To perform the mechanical tests, an innovative fretting device is designed to fit the specifications. The use of an induction heat system allows an accurate control of high temperatures. To be consistent with the real flying parts,，the specific orientation of the microstructure of the material with respect to the contact loading direction is taken into account. The microstructure misalignement of raw material bars is measured and compensated as the specimens are machined for extraction. Consequently the obtained set of samples is considered to be of homogeneous microstructure orientation even if their source material contains deviations in orientation. Four material states are investigated: precision grinding conventional shot-peening ultrasonic shot-peening and nitriding process. The results show that for the partial slip régime, shot peening processes are very useful for turbine blade applications. As a matter of fact, the risk for crack nucleation and extension are reduced by the introduction of residual stresses beneath the surface in spite of the high temperature. 1nvestigating the gross slip regime results show that wear of material leads to the formation of a third body and then to the formation of a thin layer called "glaze layer)) with low friction coefficient. To describe the formation process of the "glaze layer)) halted trials are performed. The results allow the drafting of a scenario in which wear debris are stuck and sintered beneath the contact.

Le chauffage par induction électromagnétique est un procédé efficace permettant de chauffer directement une zone d'épaisseur contrôlée sous la surface de pièces métalliques en vue de les tremper. Cette thèse présente un modèle mathématique couplé électromagnétique/thermique et des approches numériques pour modéliser le procédé. Le modèle électromagnétique est basé sur une formulation en potentiel vecteur magnétique. Les courants de source sont imposés à l'aide d'une formulation en potentiel scalaire électrique permettant de modéliser des inducteurs de forme géométrique arbitraire. Le problème du transfert de chaleur est modélisé à l'aide de l'équation classique de diffusion de la chaleur. Le modèle électromagnétique est entièrement transitoire, afin de permettre l'introduction des effets non linéaires. La discrétisation spatiale est basée sur une approche éléments d'arêtes en utilisant un domaine global air/pièce/inducteur. Le système linéaire d'équations issu de la formulation implicite est creux et défini semi-positif ; il possède un noyau de taille importante. Il est démontré qu'un préconditionneur basé sur une méthode multigrille algébrique construit conjointement avec un solveur du type Krylov réduit substantiellement le temps de calcul du problème électromagnétique par rapport aux méthodes classiques de solution et peut être très efficace pour le calcul parallèle. Des exemples d'application pour le traitement thermique d'un pignon et pour un vilebrequin automobile sont présentés. Le traitement thermique des surfaces des pièces aux géométries complexes nécessite l'introduction d'un mouvement relatif de la pièce et de l'inducteur pour assurer un traitement homogène de la surface. Une nouvelle méthode est proposée, basée sur une représentation discrète d'une fonction level set du mouvement de l'inducteur qui peut être utilisée pour générer des maillages éléments finis conformes dans le cadre d'une configuration lagrangienne. / Electromagnetic induction heating is an efficient process allowing to directly heat up a prescribed area beneath the surface of metallic workpieces to enable quenching. This work presents a mathematical model for the coupled electromagnetic/heat transfer process as well as numerical solution methods. The electromagnetic model is based on a magnetic vector potential formulation. The source currents are prescribed using a voltage potential formulation enabling the modelling of arbitrary inductor geometries. The heat transfer problem is modelled using the classical heat diffusion equation. The electromagnetic model is fully transient, in order to allow the introduction of non-linear effects. The space discretisation is based on an edge finite element approach using a global domain including air, workpiece and inductor. The resulting linear system of equations of the implicit formulation is sparse and semi-definite, including a large kernel. It is demonstrated that a preconditioner based on the auxiliary space algebraic multigrid method in connection with a Krylov solver substantially reduces the solution time of the electromagnetic problem in comparison to classical solution methods and can be effectively applied in parallel. Applications for the heat treatment of a gearwheel and for an automotive crankshaft are presented. The surface heat treatment of complex geometrical parts requires the introduction of a relative movement of workpiece and inductor to ensure a homogeneous surface treatment. A novel method is proposed, which is based on a discrete level set representation of the inductor motion that can be used to generate conforming finite element meshes in a Lagrangian setting.

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte : les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes : - Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ? - Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ? - Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ? Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium : - Résistance aux contraintes d’origine thermique. - Résistance à la corrosion par les métaux fondus. - Résistance au frottement. L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée. Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations : - Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration : Inasmet). - Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6). Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas : - Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées. - Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu. To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine: - How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties. - How to select individual layers for each group of properties. - How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application. In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations: - Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch). - Presence of corrosive molten metal. - Sliding wear. In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed. For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases: - For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet). - Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6). In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases: - Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits. - A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte :les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes :<p>- Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ?<p>- Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ?<p>- Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ?<p>Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium :<p>- Résistance aux contraintes d’origine thermique.<p>- Résistance à la corrosion par les métaux fondus.<p>- Résistance au frottement.<p>L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée.<p>Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations :<p>- Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration :Inasmet).<p>- Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6).<p>Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas :<p>- Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées.<p>- Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu.<p><p>To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine:<p>- How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties.<p>- How to select individual layers for each group of properties.<p>- How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application.<p>In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations:<p>- Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch).<p>- Presence of corrosive molten metal.<p>- Sliding wear.<p>In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed.<p>For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases:<p>- For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet).<p>- Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6).<p>In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases:<p>- Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits.<p>- A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.<p><p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished