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La projection plasma sous très basse pression (communément désignée par son acronymeanglais VLPPS : « Very Low Pressure Plasma Spraying ») est un procédé émergent de traitement desurface par voie sèche permettant l’élaboration de dépôts métalliques et céramiques (type oxydes),sous des conditions de pression réduite, de l'ordre d'une centaine de Pascal, par utilisation d'un jet deplasma thermique. Un tel niveau de pression permet principalement la formation de dépôts parcondensation de vapeurs résultant de la vaporisation, partielle ou totale, des précurseurshabituellement sous forme solide. C'est principalement en cela que ce procédé diffère des procédésplus conventionnels de projection thermique, conduisant à la formation de dépôts par l'écrasement, lasolidification et l'empilement de particules liquides fondues dans un jet de forte énergie. En fonctiondes conditions de projection employées, les revêtements élaborés par VLPPS peuvent présenterdifférents types de microstructure, de colonnaires à lamellaires, de très denses à poreuses. Le modemixte de construction, caractérisé par la présence de vapeurs condensées et particules fonduesresolidifées peut également être rencontré.L'objectif global de ce travail est d'explorer le potentiel du procédé VLPPS en mode réactif envue de former des dépôts de matériaux présentant une fusion non congruente. Pour ce faire,l'aluminium et le titane ont été considérés comme matériaux métalliques précurseurs et l'azote commeélément réactif. Les matériaux qui pourraient résulter seraient alors des nitrures d'aluminium et detitane. Ces matériaux ont été sélectionnés avant tout comme matériaux démonstrateurs. Desapplications potentielles pourraient cependant rapidement déboucher en cas de performancessatisfaisantes : l'élaboration, sur de grandes surfaces, de couches de nitrures de titane et d'aluminium,présentant de bonnes résistances à l'oxydation ainsi que de bonnes propriétés tribologiques,notamment une résistance élevée à l'usure.Au cours de cette étude, des dépôts métalliques d’aluminium, titane et titane-aluminium et desdépôts composites nitrurés Al-AlN, Ti-TiN et TiAl-TiAlN ont été élaborés par projection VLPPS enmode réactif. Les dépôts composites nitrurés présentent par exemple des duretés moyennes plusimportantes que celles des dépôts métalliques. Ces dépôts renferment jusqu'à 30%at. d'azote et lescomposés TixN, AlN et TixAlN ont été clairement identifiés. / The Very Low Pressure Plasma Spraying (VLPPS) is an emerging deposition process tomanufacture metallic and ceramic coatings, under a very low surrounding pressure, typically about onehundred Pascal, thanks to a thermal plasma jet. Such a pressure range allows principallymanufacturing coatings by condensation of vapors resulting from the vaporization, partial or total, ofsolid precursors, in most of the cases. This is the main difference of this process compared to moreconventional thermal spray processes, which form coatings by spreading, solidification and stacking ofparticles melted in a high energy jet. Depending upon the spray operating conditions, coatingsmanufactured by VLPPS exhibit different types of microstructures, from columnar to lamellar, fromdense to porous. The coating building dual mode, made of condensed vapors and molten particles isalso possible.The aim of this work is to explore in a reactive mode the VLPPS potential to manufacturecoatings made of materials exhibiting a non-congruent melting behavior. Here, for a demonstrationpurpose, Aluminum and Titanium were considered as the metallic precursors and Nitrogen as thereactive element. Therefore, materials which could result would be Aluminum and Titanium nitrides.Some possible applications could result directly from this study: the manufacturing on large surfacesof Aluminum and Titanium nitride layers, exhibiting good oxidation resistance and tribologicalproperties, especially a high wear resistance.In this study, metallic coatings of Aluminum, Titanium and Aluminum-Titanium and Al-AlN,Ti-TiN and TiAl-TiAlN coatings were manufactured by reactive VLPPS. Nitrided composite coatingsexhibit, for example, higher average hardness than metallic coatings, Those coatings embed up to 30at.% of Nitrogen and TixN, AlN and TixAlN compounds were clearly identified.

Baigiamajame magistro darbe nagrinėjamos plazminio purškimo Ni ir Co pagrindo dangų ant aliuminio substrato savybės. Atlikta terminio purškimo dangų, jų technologijų apžvalga ir analizė bei pateikta dangų tyrimo metodika. Atlikti šių dangų mikrostruktūros, porėtumo, adhezijos, mikrokietumo ir dangos tamprumo modulio tyrimai. Baigiamajame darbe sudaryta purkštinės dangos skaitinio modeliavimo metodika ir gauti rezultatai pateikti grafiškai. Išnagrinėjus praktinius ir skaitinius terminio purškimo dangų rezultatus, pateikiamos baigiamojo darbo išvados. Darbą sudaro 4 dalys: įvadas, literatūros šaltinių apžvalga ir analizė, Ni ir Co pagrindo plazminio purškimo dangų savybių ir mikrostruktūros eksperimentiniai tyrimai, purkštinės dangos skaitinio modeliavimo tyrimas, tyrimo rezultatai ir jų aptarimas, išvados, literatūros sąrašas. / In the final master thesis the plasma spraying of Ni and Co base coatings on aluminum substrate properties are analyzed. The review of thermal spray coatings technology and research methods are described. The research of microstructure, porosity, adhesion, microhardness and modulus of elasticity of the coatings were carried out. In the final master work numerical simulation of thermal spray coatings are described and results are presented graphically. The experimental and numerical results of thermal spray coatings were analysed and conclusions were given. Structure: introduction, literature review and analysis, experimental research of Ni and Co based plasma spray coating properties and microstructure, numerical simulation of thermal spray coating, results of the studies, conclusions, references.

Dès les débuts de la conquête spatiale, la tribologie spatiale est considérée comme une discipline à part entière car il s’agit de lubrifier un mécanisme non seulement dans le vide spatial, mais aussi lors des opérations au sol, et ceci dans différents environnements (vide simulé, air sec et humide, azote sec). Un lubrifiant spatial, fluide ou solide, doit donc relever le défi de procurer le comportement tribologique désiré dans ces environnements successifs, mais doit aussi résister aux sollicitations dynamiques induites par le lancement. Dans l’espace, le mécanisme doit y être autonome sans maintenance et sa lubrification doit être maintenue pendant au moins 15 ans (800 millions de cycles pour un roulement) tout en conservant fiabilité et précision de positionnement (µrad). Malgré ces enjeux, la maîtrise tribologique spatiale se limite à de l’empirisme et du conservatisme de solutions techniques, notamment lors de l’emploi des matériaux sources de lubrifiants solides qui font l’objet de cette étude. Dans les faits, seules des recommandations d’utilisation existent sans pouvoir prédire le comportement tribologique des solutions. Cette prédiction nécessite la reconstitution de « la vie des contacts ». Cette dernière nécessite l’évaluation des débits de 1ers et 3ème corps. Ces débits dépendent d’un couplage multi-échelles et multi-physique « forcé » par les sollicitations tribologiques. Pour décrypter ces débits, une démarche expérimentale qui couple des mesures mécano-chimiques en temps réel et des analyses post-essai a été développée (forces, analyse de gaz, visualisation électronique et photonique). La simultanéité des mesures permet d’étudier le couplage entre les phénomènes mécaniques (créations de particules de 3ème corps, déformations plastiques des 1er corps) et physicochimiques (adsorption/désorption, modifications chimiques des 1ers et 3ème corps). La démarche est appliquée à l’étude de deux triplets tribologiques ayant respectivement des 1ers corps en MoS2 et MoS2+Ti dont les comportements tribologiques sous vide et sous air humide sont antagonistes. L’utilisation de leur antagonisme permet de mieux comprendre la réponse des 1er et 3ème corps aux sollicitations tribologiques. La reconstitution de la vie de ces triplets a montré : (1) le rôle bénéfique de la structure colonnaire dans l’obtention d’un facteur de frottement faible et d’une longue durée de vie, non parce qu’elle est intrinsèquement colonnaire mais parce qu’elle localise la production de 3ème corps; (2) le rôle bénéfique des contaminations internes et externes aux 1ers et 3ème corps qui délocalisent l’accommodation du volume du 3ème corps vers les complexes de surface, ce qui explique par exemple que l’environnement N2 sec ne puisse, même pour des raisons économiques, simuler l’ultravide. In fine, ces travaux permettent de spécifier une démarche de conception de « triplets tribologiques » qui sera généralisée ultérieurement grâce à la tribologie numérique / From the very beginning of space exploration, “space tribology” became a specific field of competences in its own right because it implies lubricating a mechanism not only in the vacuum of space but also in several environments (simulated vacuum, dry and humid air, dry N2 environment, etc.) on Earth. Consequently, a lubricant, fluid or solid, must provide the desired tribological behaviour in all those successive environments, but it must also resist to the dynamic loading induced by the launch operations. Once in space, a space mechanism must be autonomous, with no possible maintenance, and its lubrication must be sustained during 15 to 30 years (i.e. up to 800 millions cycles for a ball bearing) in space while sustaining high reliability and great precision (to within a few µrad). Despite those stakes, the mastery of space tribology is limited to empiricism and conservatism of technical solutions, especially when solid lubricants, whose are studied in this study, are used. In facts, only directions for use exist without allowing predicting the tribological behaviour of the solutions. That prediction requires the reconstitution of “the contacts’ life”. The latter requires evaluating the 1st and 3rd bodies flows. Those flows depend on a multiscale and multiphysical coupling effect “forced” by the tribological stresses. To decrypt those flows, an experimental procedure which couples both real time and post-mortem mechano-chemical measurements (friction forces, gas analysis, photonic and electronic visualization,) has thus been developed. The simultaneity in the measure allows studying the relationship between mechanical (3rd body particles creation, plastic deformations of 1st bodies, etc.) and physicochemical (adsorption/desorption, chemical changes of 1st and 3rd bodies, etc.) phenomena. The procedure is applied to two tribological triplets respectively containing 1st bodies comprised of MoS2 and MoS2+Ti coatings whose tribological behaviours in vacuum and humid air are antagonistic. Such antagonism allows better understanding the responses of the 1st and 3rd bodies to the tribological stresses. The reconstruction of the contact life of those triplets allowed showing, among others: (1) the beneficial role of coating columnar structure in the obtaining of both a low friction coefficient and a long wear life. This is not because it is columnar but because such a structure localizes the 3rd body creation; (2) the beneficial role of contaminations, which is either internal or external to the 1st and 3rd bodies, by delocalizing the accommodation from the 3rd body volume to the surface complexes, which explains, for example, that dry N2 environment can not, even for financial reasons, mimic ultrahigh vacuum. In fine, the study allows specifying a procedure for designing “tribological triplets” which will be generalized at a latter stage thanks to the numerical tribology.

Les procédés de projection thermique permettent de fabriquer des revêtements d’une grande versatilité (métaux, céramiques, polymères ou autres composites), relativement épais (de quelques microns à plusieurs centimètres) avec une vitesse de dépôt relativement importante. Cependant des contraintes existent notamment l’impossibilité d’utiliser des précurseurs à fusion non congruente tels que les nitrures (TiN par exemple) limitant leur application industrielle (aéronautique, énergie, biomédical, etc.). Ce type de revêtement est principalement obtenu par les procédés couches minces. La projection plasma sous très basse pression (VLPPS) ouvre un potentiel pour s’affranchir de cette problématique d’obtenir des revêtements nitrures et présente en plus l’avantage d’avoir des vitesses de dépôt élevées au contraire des procédés couche mince. Pour cela, la phase liquide habituellement créée par l’injection de la poudre dans la source thermique des procédés de projection peut s’élever à l’état de vapeur du fait des conditions de très basse pression. En conséquence, des revêtements denses à microstructure lamellaire, de vapeurs condensées ou mixte sont formés. Mais encore, le matériau à l’état vapeur peut être mis en contact avec un gaz réactif (azote, oxygène, etc.) pour former un composé nitruré, oxydé.Ce travail a consisté à étudier la réalisation de revêtements céramiques oxydes et nitrures par projection plasma sous très basse pression réactive (R-VLPPS) à partir d’une poudre pure de titane. Tout d’abord, le diagnostic du jet plasma sous très basse pression (gaz plasmagène et réactif, précurseur) a été réalisé dans le but de corréler la présence des espèces détectés avec les propriétés des revêtements. Ainsi, des revêtements de nitrure et d’oxyde de titane ont été fabriqués par R-VLPPS. Les paramètres de réalisation des dépôts (distance de projection, méthode d’injection du gaz réactif) ont été analysées. Les caractéristiques mécaniques des compositions obtenues ont été déterminées. Le jet plasma a aussi été testé comme moyen de post traitement pour améliorer la proportion de phases nitrurées ou oxydées. Enfin, le mécanisme de construction des revêtements a été développé à partir des résultats expérimentaux. / Thermal spraying processes allow the manufacturing of high versatility coatings (metals, ceramics, polymers or other composites), relatively thick (from few microns to several centimeters) with a high deposition rate. However, drawbacks exist in particular the impossibility to use non-congruent fusion precursors such as nitrides (TiN for example) limiting their industrial application (aeronautics, energy, biomedical, etc.). This kind of coating is mainly obtained by thin-film processes. Very low-pressure plasma spraying (VLPPS) opens a potential to overcome this problem to obtain nitride/oxide/carbide coatings with high deposition rates unlike thin-film processes. For this purpose, the liquid phase usually generated by the particles injection into the thermal source of the spray jet can rise to the vapor state due to the conditions of the very low pressure. As a result, dense coatings with a lamellar, condensed vapors or a mix of both microstructures are manufactured. Furthermore, a reactive gas (nitrogen, oxygen, etc.) can be injected with the vapors to form oxide, nitride materials.This work consisted in studying the fabrication of oxides and nitrides ceramic coatings by reactive - very low-pressure plasma spraying (R-VLPPS) from a pure powder of titanium. Firstly, the diagnostic of the plasma jet under very low pressure (plasma and reactive gases, precursor) was carried out with the aim of correlating the presence of the detected species with the properties of the coatings. Titanium nitrides and oxides coatings were manufactured by R-VLPPS. The spraying parameters of the deposits (spraying distance, reactive gas injection method) were analyzed. The composition and the mechanical characteristics of the coatings are determined. Moreover, the plasma jet has also been tested as post-treatment process to improve the amount of nitrided or oxidized phases. Finally, the manufacturing mechanism of the coatings was developed from the experimental results.

Hochfeste kupferhaltige Aluminiumlegierungen gelten gemeinhin als „schwer“ anodisierbar, deshalb werden in der vorliegenden Arbeit werkstoffseitige und prozessseitige Maßnahmen zur Verbesserung der Schichtqualität erforscht. Zur eindeutigen Abgrenzung des Einflusses der Cu-Verteilung vom Einfluss anderer Legierungselemente und Verunreinigungen wurde für die Anodisierexperimente zusätzlich zur kommerziellen Legierung EN AW-2024 die hochreine Modelllegierung AlCu4 als Untersuchungswerkstoff gewählt. Insbesondere für die Modelllegierung AlCu4 konnte erstmals eine systematische Veränderung des Schichtbildungsmechanismus beschrieben werden. Mit zunehmender Ausscheidungsbildung nimmt das Ausmaß der Sauerstoffentwicklung ab, woraus erhöhte Schichtdicken und -härten folgen. Die nach Anodisieren der warmausgelagerten Zustände erhaltenen Schichtmikrostrukturen wurden erstmals im Rahmen dieser Arbeit mittels Rasterelektronenmikroskopie beschrieben. Aufgrund reduzierter Schichtrücklösung sind auch auf der Legierung EN AW-2024 im warmaus-gelagerten und überalterten Zustand höhere Schichtdicken und -härten für eine Elektrolyttemperatur von 20 °C erzielbar. Bei einer Elektrolyttemperatur von 5 °C können die Schichtdicke und -härte vor allem durch Zugabe von Additiven zum schwefelsauren Grundelektrolyt gesteigert werden. Im Unterschied zu konventionellen organischen Additiven resultiert die Zugabe von Salpetersäure darüber hinaus in einer Absenkung der Anodisierspannung zu Prozessbeginn und damit in einer Reduzierung der erforderlichen elektrischen Energie. Mit steigender Additivkonzentration nimmt jedoch die Ritzbeständigkeit der Schichten infolge erhöhter Mikrorissigkeit ab. Es ist folglich ein Optimum aus Schichthärte und Mikrorissigkeit zu finden. / High-strength aluminum-copper alloys are generally recognized to be “hardly” anodizable. Hence, the influences of material and process parameters were investigated within this work in order to improve the coating properties. Apart from the commercial alloy EN AW-2024, the high purity model alloy AlCu4 was used for the anodizing experiments in order to distinguish between the influence of the copper distribution and the influence of other alloying elements and impurities. Regarding the model alloy AlCu4, a systematic change of the coating growth mechanism was described for the first time. The extent of oxygen evolution decreases with the intensification of the precipitation leading to increased coating thickness and hardness. In this work, the coating microstructures, resulting from the anodic oxidation of the artificially aged conditions, were described by scanning electron microscopy, for the first time. Due to reduced chemical dissolution of the coatings, higher coating thickness and hardness can also be achieved after room-temperature anodizing of the alloy EN AW-2024 in the artificially aged conditions. For hard-anodizing at an electrolyte temperature of 5 °C, the coating thickness and hardness can be particularly improved by using additives in combination with the sulfuric acid base electrolyte. Beyond that and in contrast to the effect of conventional organic additives, the addition of nitric acid enables the reduction of the anodizing voltage at the beginning of the process and therefore, the reduction of the required electrical energy. However, the scratch resistance of the coatings decreases with increasing additive concentration due to the occurrence of micro crack networks. Consequently, the coating hardness and the amount of microcracks have to be optimized in order to meet concrete application requirements.