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.

Dans le cadre du procédé de revêtement de surface Cold Spray, un modèle numérique d’impact de particule sur substrat à haute vitesse est créé, ainsi qu’une nouvelle interaction adhésive, dans le logiciel de dynamique explicite du CEA Europlexus. Le modèle utilise des Éléments Finis et la méthode sans maillage SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) avec la loi matériau de Johnson-Cook, couramment utilisée pour modéliser les métaux à des vitesses de déformation élevées et prenant en compte le durcissement plastique, le durcissement en vitesse de déformation, et l’assouplissement thermique. L’interaction adhésive est basée sur les modèles de zone cohésive de Dugdale-Barenblatt et Griffith, avec une limite sur la contrainte cohésive et la rupture de l’adhésion dictée par l’énergie dissipée. L’étude de cette interaction dans le cas des corps déformables à haute vitesse de déformation montre que le type de modèle cohésif utilisé impacte directement et de façon très prononcée les résultats du calcul. L’interaction adhésive est ensuite liée à un mécanisme physique connu pour être la raison majeure de l’adhésion entre métaux lors du procédé Cold Spray : l’instabilité en cisaillement à l’interface de contact (présente dans la simulation grâce à une loi d’endommagement). Pour ce faire, un critère d’activation de l’adhésion est créé, basé sur une chute de la valeur locale de limite élastique du matériau. Ce critère permet de retrouver le phénomène de vitesse critique nécessaire pour l’adhésion de la particule lors du procédé. Un critère de rupture de l’adhésion supplémentaire est ajouté, basé sur la valeur de l’endommagement dans les éléments collés, et permet de retrouver le phénomène de vitesse maximale pour l’adhésion de la particule. Le modèle complet, construit sur des principes physiques, est ainsi capable de simuler le phénomène d’adhésion Cold Spray. Des tests de dureté et images EBSD sont aussi présentés et comparés aux résultats numériques. / In the context of the Cold Spray process, a numerical model of a single particle impact is developed. The point of interest is the adhesion of the particle to the substrate, thus an adhesive interaction model is also created. The impact model uses the Smooth Particle Hydrodynamics and/or the Finite Elements methods, with a Johnson-Cook material law, commonly used for metals at high strain rates, which takes into account strain hardening, strain rate hardening and thermal softening. The adhesive interaction is a Griffith and Dugdale-Barenblatt cohesive model with energy dissipation and a limit on the cohesive stress. Using this model it is shown that in the case of fast dynamics and deformable bodies, not only the adhesion parameters but also the type of model has an influence on the results. The adhesion model is also, contrary to previous works, linked with an actual physical mechanism known to induce adhesion in Cold Spray: a shear stress instability at the interface. This is done by adding an activation criterion to the cohesive model. This criterion is defined as a local drop in yield strength on either element in contact. Only when this criterion is locally met are the cohesive stresses applied and cohesive energy dissipated. The result is the apparition of a critical velocity, under which adhesion cannot occur due to either not enough initial kinetic energy to create an instability at the interface, or not enough adhesive surface created to keep the particle from rebounding. For the model to localize and undergo shear banding/shear instability, a damage value is added to the material law. An erosion criterion is then implemented in the cohesive model to remove the cohesive stresses from highly damaged parts of the adhesive surface. This results at high impact speeds in a maximal velocity above which the interfacial material is too damaged to sustain adhesion and prevent the particle from rebounding. A deposition behavior similar to the Cold Spray process is then observed, with a range of low velocities without any adhesion of the particle, then a critical speed initiating a velocity range of adhesion of the particle, and finally a maximum speed above which the interface is too damaged to sustain the adhesion. A set of experimental observations is also carried out to better understand the actual microstructural dynamics and changes at the interface of 1 mm copper particles impacted on copper. The results are compared to simulations and the use of the macroscopic Johnson-Cook law at a microscopic level is validated.

Cieľom predkladanej diplomovej práce je skúmať a analyzovať možnosti prispôsobovania koeficientu tepelnej rozťažnosti nástrekov z kompozitných materiálov deponovaných na substráty pomocou technológie cold spray. Kompozitné materiály sú v tomto prípade reprezentované zmiešanými práškami, ktoré sú pripravené pridávaním fázy s negatívnou tepelnou rozťažnosťou do základného materiálu s kladným koeficientom tepelnej rozťažnosti. Takto pripravené nástreky môžu byť užitočné pri opravovaní a renovácii strojárenských súčiastok. V prvej časti je priblížená samotná technológia cold spray spolu s jej využitím pri opravách a renováciách v strojárenskom priemysle. Ďalej sa práca zaoberá tepelnou rozťažnosťou materiálov, kde je predstavený jav negatívnej tepelnej rozťažnosti. V experimentálnej časti práce je vyhodnotený potenciálny efekt negatívnej tepelnej rozťažnosti pri deponovaní nástrekov pomocou technológie cold spray.

La réalisation de revêtements projetés de haute qualité passe par une bonne cohésion du dépôt et une adhérence élevée des revêtements sur leur substrat. Du fait de leur mode d'élaboration, les microstructures des interfaces dépôt/substrat et particule/particule obtenues par projection thermique sont complexes et les propriétés en dépendant hétérogènes. Afin d'optimiser l'adhérence des revêtements, il est nécessaire d'établir des relations entre microstructure et résistance de ces interfaces. C'est l'objet de cette étude. Le système modèle cuivre projeté sur aluminium a été retenu non seulement pour son fort potentiel industriel mais également pour la grande réactivité métallurgique du couple (Al, Cu). Des interfaces présentant des propriétés métallurgiques variées ont ainsi pu être obtenues, en jouant sur les procédés et conditions de projection. Ces interfaces ont été analysées à des échelles fines. Des caractérisations quantitatives des propriétés métallurgiques et morphologiques de ces interfaces ont aussi été réalisées. Un essai d'adhérence original, utilisant le phénomène de choc laser, a été développé pour déterminer l'adhérence de revêtements épais (quelques centaines de microns) correspondant à ces interfaces. L'essai LASAT (pour LASer Adhérence Test) s'est avéré particulièrement sensible aux propriétés des interfaces et approprié à leur étude locale. L'association des analyses fines et quantitatives des interfaces avec l'évaluation de leur résistance par l'essai de choc laser a permis d'identifier les principaux mécanismes d'adhérence responsables de la bonne tenue des revêtements de Cu sur Al et/ou des particules de Cu sur celles déjà déposées, dans le cas de projections plasma, HVOF et cold spray. L'influence de la propreté et de la morphologie des interfaces sur l'adhérence des dépôts projetés a été, en particulier, étudiée. Enfin, des outils de simulation ont permis de reproduire les phénomènes intervenant aux interfaces obtenues par projection thermique et ainsi de préciser les modes de formation des liaisons interfaciales.

Afin d'améliorer la qualité des dépôts réalisés par projection thermique, diverses techniques connexes aux procédés de projection ont été développées. Parmi celles-ci, on peut noter les procédés laser qui peuvent présenter l'avantage de dispenser un traitement localisé en surface, simultané à la projection. Comparés aux techniques de préparation couramment employées, ces procédés sont également plus respectueux de l'environnement. Le sujet de thèse repose donc sur la compréhension et la maîtrise des prétraitements laser (préchauffage, ablation) afin d'améliorer les propriétés finales des revêtements réalisés et en particulier l'adhérence des dépôts sur le substrat.

La projection thermique cold spray consiste en l'envol de poudres à haute vitesse sur une cible : le substrat. Leur adhérence et leur accumulation mène à des revêtements plus ou moins denses, utilisés dans le domaine automobile, biomédical, etc. La première étape de construction du dépôt passe par un contact entre la poudre et le substrat. Il est admis que la liaison créée est mécanique et, si la nature des matériaux le permet, métallurgique. Cette étude permet de statuer sur ces deux composantes. Pour cela, deux systèmes privilégiant l'une ou l'autre, sont choisis. L'ancrage mécanique est vu au travers de la métallisation de polymère avec l'emploi d'aluminium projeté sur polyamide 6,6. La liaison métallurgique est abordée avec l'emploi de titane sur un substrat plus rigide en TA6V. Avant d'étudier les mécanismes de liaison, une étape d'élaboration des dépôts est réalisée balayant de nombreux paramètres " procédé " et différentes propriétés des matériaux (température, granulométrie). Des outils sont déployés pour connaître les conditions d'impact : la vitesse de particule par DPV2000, la température du substrat par thermographie infra-rouge et la température des particules par voie numérique. L'ancrage mécanique dans le polymère est décrit grâce à l'étude de l'impact de particules élémentaires ainsi que de la rugosité d'interface 2D (coupes micrographiques) et 3D (laminographie X). Le gradient de porosité est également quantifié. La liaison métallurgique est étudiée par MET. Au préalable, la simulation numérique par éléments finis est employée pour retracer la phénoménologie de l'impact ainsi que quantifier les déformations et les températures locales atteintes à l'interface. La morphologie simulée des particules à l'impact est comparée à celles observées dans des conditions réelles de projection. Enfin, l'adhérence des différents dépôts est évaluée par essai " plot collé " et les faciès de rupture observés. L'influence de la morphologie de surface est étudiée avec des prétraitements de sablage et de structuration laser.

This diploma thesis deals with the surface modification of 3D printed metallic materials. The research part presents the most used methods of additive manufacturing and their process parameters influencing the quality of printed components. Defects arising during these processes and the techniques used to eliminate them are also described. In the experimental part of the work, the optimization of electrochemical polishing parameters was performed. The aim was to modify the rough surface of the components and thus prevent the formation of defects on the surface. The mechanical properties were investigated by means of three-point bending under static and dynamic loading. Fractographic analysis was performed on the quarry surfaces.

This work deals with the virtual and later real commissioning of the workplace for cold spraying of rotating parts, which is located in the laboratories of the Institute of Materials Science and Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Brno University of Technology. The workplace put into operation in this way serves the employees of the mentioned institute for experimental activities in the field of cold spraying. The theoretical part of the thesis describes all the essentials associated with virtual commissioning and the theory of cold spray. The practical part then deals with the creation of a robotic program, including the user interface, which is used to control the workplace. Part of this diploma thesis is also the realization of the connection between the external motor driver and the robot controller via the PROFINET communication bus.

The aim of this thesis was to modify microstructure and coating-substrate interface of CoNiCrAlY coatings deposited by HVOF and cold spray on Inconel 718 substrates. Electron beam remelting and annealing in a protective atmosphere were used to modify the coatings. Microstructure, chemical and phase composition were analyzed. The effect of beam current, transversal velocity and beam defocus on remelted depth was evaluated. As-sprayed microstructure and chemical composition of coatings were analyzed and compared with remelted samples. The effect of annealing of the as-sprayed and remelted samples was evaluated. Remelted layers exhibited dendritic structure. Chemical composition changed only after remelting of interface and part of a substrate. When only the coating was remelted, chemical composition remained the same. Phases coarsened after the annealing. Chemical composition changed after annealing due to the diffusion.

<p>  </p> <p>Stress corrosion cracking (SCC) is a longstanding critical materials challenge in austenitic stainless steels (AuSS). Recently, there has been mounting concern regarding the potential for Chloride-induced stress corrosion cracking (CISCC) along arc weld seams on austenitic stainless-steel canisters used as spent nuclear fuel (SNF) dry storage containers, due to the residual stress from the welding process and exposure to chloride-rich coastal air at storage sites. To ensure the safety of the SNF storage, fundamental understanding and mitigation methods of CISCC are critical in both engineering design and maintenance of the storage canisters before and after their deployment. With the recent development of high-resolution characterization and analysis techniques, a more robust and comprehensive understanding of the fundamental TGCISCC mechanism starts to be more accessible. In this thesis, comprehensive state-of-the-art techniques, including SEM, EBSD, HREBSD, FIB, ATEM, TKD, potential dynamic measurement, XRD, and nanoindentation will be used to further understand the mechanistic mechanism of TGCISCC in AuSS from macroscopic scale down to atomistic scale. </p>