Un composite à matrice métallique et à renfort particulaire de carbure de titane (25vol.%) produit par la société Mecachrome par métallurgie des poudres est l'objet de cette étude. Le process industriel suit trois étapes : broyage à haute énergie des poudres d'acier et de carbure de titane (TiC) ; consolidation de la poudre composite par extrusion ou consolidation isostatique à chaud (HIP) ; traitements thermiques d'austénitisation. Les principales évolutions concernent la taille de particule, la taille de cristallite, le paramètre de maille et la composition chimique du renfort TiC. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés uniquement sur l'évolution du renfort (les évolutions de la matrice sont développées dans le travail de M. Mourot). Afin de caractériser les particules de TiC à chaque étape du process, nous avons mis en place une procédure de dissolution chimique sélective de la matrice acier. Le TiC ainsi " extrait " de la matrice a ensuite été caractérisé de façon méthodique par microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique en transmission (MET), diffraction des rayons X (DRX) et analyse chimique élémentaire. Ces techniques ont permis de révéler des changements importants indiquant des interactions physico-chimiques durant les étapes d'élaboration du composite. Ces évolutions du renfort et l'étude thermodynamique des systèmes C-Fe-Ti et C-Fe-O-Ti ont permis de proposer les mécanismes réactionnels à prendre en compte lors de l'élaboration du composite acier/TiC

Les composites à matrice titane (CMTi) sont des matériaux attractifs pour des applications aéronautiques, en raison de leurs performances mécaniques à haute température et de leur faible densité. La difficulté d’usiner ce type de matériaux rend les procédés de fabrication additive intéressants pour la fabrication de pièces complexes en trois dimensions. Cette étude porte sur l'élaboration de composites à matrice titane par le procédé de fabrication additive par fusion laser de poudre projetée. Dans un premier temps, différents types de poudres- renfort et de préparations de poudre ont été utilisés pour faciliter la mise en œuvre du procédé additif, dans le but d’obtenir des microstructures homogènes. Dans un second temps, l’étude s’est concentrée sur le mélange Ti-6Al-4V / B4C formant des renforts TiB et TiC par voie in-situ dans une matrice de Ti-6Al-4V. Les mécanismes de formation des microstructures obtenues ont pu être expliqués puis une étude des propriétés mécaniques (dureté, module d’Young et comportement sous une sollicitation en traction à chaud et à l’ambiante) a été réalisée afin d’évaluer l’effet du renforcement sur les propriétés mécaniques du matériau. Parmi les résultats importants ce cette étude, la présence de taux de carbone élevés en solution solide dans la matrice de titane a été évoqué comme étant le facteur prédominant dans l'augmentation des propriétés mécaniques avec le taux de B4C. / Titanium matrix composites are attractive materials for aeronautical applications, mainly because of their superior mechanical resistance at elevated temperature, combined with a low density. The critical machinability of such composites makes additive manufacturing processes particularly adapted for building complex 3D shapes. This study has been focused on the Direct Metal Deposition (DMD) of Metal matrix composites. In a first step, various powders and powder blends have been carried out in order to facilitate the DMD process and to obtain homogeneous microstructures. Following this, Ti-6Al-4V / B4C powder blends, allowing to obtain TiB + TiC particles distributed in the Ti matrix were more specifically considered. Metallurgical mechanisms involved in the formation of microstructures were identified prior to an investigation on mechanical properties at ambient and elevated temperature for various DMD process conditions and particle concentrations. Among the most interesting results of this study, the influence of a high carbon content solubilized in the Ti-matrix was considered as a dominant factor to explain the evolution of mechanical properties with increased amounts of reinforcements.

La modélisation, l'élaboration et la caractérisation de nouvelles brasures composites sans plomb à propriétés adaptatives est encouragée par les menaces d'interdiction du plomb dans l'industrie électronique ainsi que par la demande incessante de fiabilité accrue. Dans ce contexte, des joints de brasure composite à matrice Sn-3,8Ag-0,7Cu et renfort particulaire en alliage à mémoire de forme NiTi sont développés. Une caractérisation microstructurale et mécanique de la matrice sans plomb est effectuée. Les évolutions de la chimie et de la microstructure de la surface des particules de NiTi au cours des différentes étapes du procédé de dépôt d'un agent mouillant sur leur surface sont étudiées. Finalement la tenue à la fatigue thermomécanique de ces nouveaux matériaux est évaluée et met en évidence l'influence du renfort en alliage à mémoire de forme.

Les packagings d’électronique embarquée sont actuellement en alliages d’aluminium. A partir d’une étude de sélection des matériaux, complétée par une simulation numérique thermique,nous avons démontré qu’un matériau composite constitué d’une matrice aluminium et de fibres de carbone à forte conductivité thermique, représente un fort potentiel de gain de masse sur ces équipements. Cependant, le couplage de ces deux matériaux génère des problèmes d’élaboration en raison d’incompatibilités fortes parmi lesquelles un mouillage très faible du carbone par l’aluminium liquide et une réactivité chimique élevée qui conduit à la formation de carbures d’aluminium préjudiciables pour le matériau final. Deux voies d’élaboration distinctes ont été envisagées : Une voie liquide où l’utilisation d’un agent de mouillage (un sel fluoré) a permis d’obtenir la montée par capillarité du métal dans des mèches de fibres. Une voie solide basée sur une technique originale d’empilements de feuillets d’aluminium et de fibres de carbone avec le procédé de Spark Plasma Sintering (SPS). .La seconde technique s’est révélée prometteuse en permettant d’obtenir des échantillons multicouches sans porosités, un endommagement très limité des fibres et une architecture contrôlée.Notre étude a montré que la formation de carbures d’aluminium est limitée. De plus, une meilleure compréhension du SPS ou l’application d’un revêtement sur les fibres devraient permettre d’éviter la formation de ces carbures. Les tentatives de caractérisations mécanique et thermique effectuées sur ces échantillons donnent un premier aperçu de l’efficacité du renforcement de l’aluminium par les fibres de carbone. / Embedded electronic packagings are currently made of aluminum. A first study – basedupon a material selection method completed by numerical analysis – showed that a metal matrixcomposite made of aluminum and highly thermal conductive continuous carbon fibers represents ahigh potential upon weight savings for those equipments. Though, coupling these componentsrepresents numerous challenges due to their incompatibility such as a really low wetting of carbonliquidaluminum system and its unavoidable chemical reactivity that leads to the formation ofaluminum carbides that are harmful for the final material. Two manufacturing routes were considered: A liquid route using a wetting agent (fluorinated salts) led the metal to rise alongcarbon fibers by capillarity. A solid route based upon a novel technique of aluminum foils and carbon fibersstacking using the Spark Plasma Sintering (SPS) process.This second technique revealed to be very promising and allowed to obtain multilayer samples with noporosities, highly limited fiber damages and controlled composite architecture. Our study shows thataluminum carbides formation is limited. Moreover, a deeper comprehension of SPS process or thedeposit of fiber coatings would prevent this carbide formation. Attempts of mechanical and thermalcharacterization led upon such samples give a first overview of the efficiency of the aluminumreinforcement by carbon fibers.

Un composite à matrice métallique et à renfort particulaire de carbure de titane (25vol.%) produit par la société Mecachrome par métallurgie des poudres est l’objet de cette étude. Le process industriel suit trois étapes : broyage à haute énergie des poudres d’acier et de carbure de titane (TiC) ; consolidation de la poudre composite par extrusion ou consolidation isostatique à chaud (HIP) ; traitements thermiques d’austénitisation. Les principales évolutions concernent la taille de particule, la taille de cristallite, le paramètre de maille et la composition chimique du renfort TiC. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés uniquement sur l’évolution du renfort (les évolutions de la matrice sont développées dans le travail de M. Mourot). Afin de caractériser les particules de TiC à chaque étape du process, nous avons mis en place une procédure de dissolution chimique sélective de la matrice acier. Le TiC ainsi « extrait » de la matrice a ensuite été caractérisé de façon méthodique par microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique en transmission (MET), diffraction des rayons X (DRX) et analyse chimique élémentaire. Ces techniques ont permis de révéler des changements importants indiquant des interactions physico-chimiques durant les étapes d’élaboration du composite. Ces évolutions du renfort et l’étude thermodynamique des systèmes C-Fe-Ti et C-Fe-O-Ti ont permis de proposer les mécanismes réactionnels à prendre en compte lors de l’élaboration du composite acier/TiC / Steel metal matrix composites reinforced with titanium carbide particles (25 vol% ) can be industrially produced by a solid-state process including three main steps: mechanical alloying by high energy milling of steel and titanium carbide powders; consolidation of the powder mixture thus obtained by hot forging, hot extrusion or hot pressing at 1050-1250°C; heat treatment of the resulting composite material. During each of the three steps, the TiC reinforcing particles are submitted to severe mechanical shocks or stresses. Moreover, they can chemically react with impurities of the gas phase during milling or with the steel matrix during consolidation or further heat treatment. As a result, changes are likely to occur in the grain size, crystallite size, morphology and composition of the particles. The aim of this thesis was to point out and characterize these changes. For that purpose, a procedure was developed to selectively dissolve the metal matrix and extract the TiC particles from the starting powder mixture, from the consolidated composite material and from further heat-treated composite samples. The extracted TiC particles were characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), chemical microanalysis (CMA) and X-ray diffraction (XRD). This revealed important changes indicative of the physical and chemical interaction phenomena that successively proceed during processing of the steel/TiC composite

L’influence des renforts nanoparticules de TiB2 (6 wt.%) sur la précipitation interfaciale de la phase (Zn1.5Cu0.5)Mg, la résistance à la traction et la fissuration sous chargement de fatigue (fatigue crack growth-FCG) des composites à matrice de Al-Zn-Mg-Cu ont été étudiées. Des échantillons de composites ont été obtenus par réaction in-situ pendant le moulage suivi d’un FSP (friction stir processing) et une extrusion à chaud. Seuls les échantillons moulés et extrudés ont été utilisés pour étude de FCG à cause de la limitation de la taille après FSP. Des observations au microscope électronique à balayage (SEM), avec la diffraction des électrons rétrodiffusés (SEM/EBSD) et au microscope électronique en transmission à haute résolution (HRSTEM) ont été réalisées pour caractériser la microstructure.Des échantillons présentent une structure des grains équi-axiaux et des nanoparticules de TiB2 sont distribuées de façon homogène dans la matrice. En état de solution solide, l’interface TiB2/Al est de nature semi-cohérente et très propre. En état de vieillissementou ou sur vieillissement, la précipitation interfacaile hétérogène de la phase (Zn1.5Cu0.5)Mg a été observée. La cinétique de la précipitation interfaciale a été discutée. Les interfaces entre Al/(Zn1.5Cu0.5)Mg/TiB2 sont quasi cohérentes et l’interface TiB2/Al a été renforcée grâce à la réduction de l’énergie de l’interface. Ce mécanisme de précipitation interfaciale peut expliquer l’effet de renforcement de l’interface contribuant simultanement l’augmentation de la résistance et de l’élongation des échatillons de composite.La majorité de nanoparticules TiB2 tentent de s’agglomérer le long des joints de grains dans des échantillons sans FSP. La vitesse de croissance de fissure a été augmentée à l’intérieur des grains avec un facteur d’intensité (ΔK) intermédiaire ou important à cause de l’affinement de grains. Cependant, la vitesse de croissance de fissure a été diminuée aux joints de grains avec (ΔK) faible ou intermédiaire à cause de la présence des clusters de TiB2 tandis que cette vitesse augmente avec (ΔK) important à cause de la coalescence des micropores. / The influences of TiB2 reinforcement nanoparticles (6 wt.%) on the interfacial precipitation of (Zn1.5Cu0.5)Mg phase, the associated tensile and fatigue crack growth (FCG) properties of the Al-Zn-Mg-Cu matrix composites have been studied. The composite samples were produced by in-situ reaction during casting followed by friction stir processing (FSP) and hot extrusion, while only casted and extruded samples were used for evaluating FCG due to size limit of the nugget zone after FSP. Scanning electron microscopy (SEM), electron backscatter diffraction (EBSD) and high-resolution scanning transmission electron microscopy (HRSTEM) were employed for the microstructure characterization.The as-processed composite samples contain the fine equiaxed-grain structure, where TiB2 nanoparticles are homogenously distributed. At solid-solution state, the TiB2/Al interfaces are featured by the clean and semi-coherent nature. At the peak-aged and overaged states, the interface precipitate determined as (Zn1.5Cu0.5)Mg phase was formed, and the underlying heterogeneous interfacial precipitation kinetics was discussed. The Al/(Zn1.5Cu0.5)Mg/TiB2 multi-interfaces were revealed to be almost coherent, and the TiB2/Al interfaces were thus strengthened due to the greatly reduced coherency strains. This mechanism was proposed as precipitation assisted interface strengthening, which has contributed to the simultaneously enhanced tensile strength and uniform elongation of the as-processed composite.The majority of TiB2 nanoparticles tend to aggregate along grain boundaries (GBs) in the composite samples without FSP. The FCG rate is increased inside grains at intermediate and high stress intensity factor (ΔK) ranges due to the refined grain size. However, the FCG rate at the GBs is decreased at the low and intermediate ΔK ranges by fatigue crack deflection and trapping due to the presence of TiB2 clusters, while it increases at the high ΔK range due to microvoid coalescence.

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