Cette thèse a porté sur la conception d'un capteur de corrosion passif, sans contact de moyenne portée. Les solutions existantes sans fil concernent soit des capteurs à architecture classique, soit des solutions passives. Dans le premier cas, le capteur de corrosion est actif et peut être interrogé à longue portée. Dans le second cas, les solutions passives existantes ne fonctionnent qu’avec des distances de lecture de quelques centimètres du fait des basses fréquences utilisées. L’objectif de ce travail était de répondre à ce besoin. Pour cela, nous nous sommes inspirés de la technologie RFID (Radio Frequency Identification) passive chipless pour le développement d’un capteur basé sur une fonction hyperfréquence. La première structure réalisée a été une ligne microruban, dont le ruban est constitué d’une couche mince d’un élément sensible à la corrosion. Dans ce cas, la corrosion de la ligne s’est traduite par une variation d’amplitude du fait de l’apparition de pertes expliquées principalement par l’effet de peau ou la création de défauts. Une deuxième structure hyperfréquence a été élaborée en se basant sur un stub (circuit ouvert) qui a permis de suivre le processus de la corrosion via une variation de fréquence. Comme le cas de la ligne microruban, cette structure nous a permis de distinguer la corrosion uniforme et la corrosion localisée. Grâce à la mise en évidence de ces fonctionnalités, diverses stratégies de contrôle de la corrosion peuvent être imaginées et un démonstrateur a été réalisé. Le point clé du démonstrateur proposé est une augmentation de la distance de lecture dans la technologie RFID chipless, ceci a été rendu possible en considérant l’isolation Tx / Rx du lecteur. Dans ce contexte, trois types d’antennes ont été étudiées. Afin d’augmenter encore la distance de lecture, d’autres techniques d’isolation ont été proposées : l’utilisation d’un déphaseur mais aussi l’isolation temporelle par l’utilisation d’une ligne à retard SAW. Grâce à ces 2 méthodes, une distance de lecture de deux mètres a été obtenue. Suite aux caractérisations RF des métaux soumis à la corrosion discutées, nous avons aussi élaboré une sonde RF à champ proche permettant de diagnostiquer la corrosion de surfaces métalliques. / This thesis focused on the design of a passive wireless corrosion sensor. Existing wireless solutions concern either classic architecture sensors or passive solutions. In the first case, the corrosion sensor is active and can be interrogated at long range. In the second case, the existing passive solutions only work with reading distances of a few centimeters because of the low frequencies. The objective of this study was to respond to this need. That’s why; we were inspired by the RFID( Radio Frequency Identification) passive chipless technology for the development of a sensor based on a microwave function. The first structure was a microstrip line, of which the strip is composed of a thin layer of an element sensitive to corrosion. In this case, the corrosion of the line is proven by an amplitude variation due to losses principally explained by the skin effect or the creation of defects. A second microwave structure was developed based on a stub (open circuit) which allowed us to follow the process of corrosion via a frequency variation. Much like the microstrip line, this structure allowed us to distinguish between uniform corrosion and localised corrosion. Due to the highlighting of these features, different corrosion control strategies can be imagined and a demonstrator was executed. The key point of the proposed demonstrator is an increase in the reading distance in the chipless RFID technology; this was made possible by taking into consideration the isolation TX / Rx of the reader. In this context, three types of antennas were studied. In order to increase the reading distance, other isolation techniques were proposed: the use of a phase shifter but also a temporal isolation using a SAW delay line. Thanks to these two methods, a reading distance of two meters was obtained. Following the RF characterizations of metals exposed to the discussed corrosion, we also developed a near field RF probe, which allows corrosion diagnostic of metal surfaces.

La compréhension de l'initiation de la corrosion localisée sur les aciers inoxydables reste à nos jours encore limitée. Dans ce contexte, ce travail a porté sur l'observation in situ par Microscopie à Force Atomique (AFM) de l'initiation de piqûres ou de fissures de corrosion sous contrainte (CSC). Pour cela, une technique originale associant un AFM, une cellule électrochimique et une platine de déformation a été mise au point. Elle permet d'imager in situ sous potentiel et/ou sous contrainte contrôlés les évolutions de la surface d'un 304L. Nous avons ainsi montré que les piqûres de corrosion s'initient préférentiellement au niveau d'imperfections nanométriques de la surface. Pour la première fois, un suivi cinétique de la croissance des piqûres aux échelles nanométriques a été réalisé, corroborant le modèle du "point defect" (vitesse de croissance des piqûres de 0,18 Å.s−1, densité de courant à l'intérieur des piqûres de 73 μA.cm−2). Combiné à l'EBSD ("Electron BackScattered Diffraction"), l'AFM permet d'indexer totalement les systèmes de glissement actifs et de remonter au nombre de dislocations émergées (quelques unités). L'effet aux échelles nanométriques de l'écrouissage sur l'initiation de piqûres a été étudié : nous proposons un modèle simple basé sur les modifications du travail de sortie des électrons par des contraintes locales. Cela explique l'initiation de 70% des piqûres au niveau des zones écrouies. En CSC, les premières observations in situ semblent valider le modèle de Magnin : l'initiation de fissures est observée au niveau de noeuds de concentration de contraintes. Observées après anodisation de nos surfaces de 304L, des nanostructures organisées de cavités nanométriques (période de 50-100 nm) ont été caractérisées. En collaboration avec une équipe de l'INSERM, nous avons montré que de telle surfaces nanostructurées améliorent l'adhésion et la différenciation de cellules osseuses.

La corrosion localisée des alliages d'aluminium a pu être reliée qualitativement au rôle de la microstructure, des phases intermétalliques (IM) en particulier, qui provoquent la sensibilisation à la corrosion localisée des alliages d’aluminium contenant par exemple du cuivre. Mais un effort de modélisation est nécessaire si on veut aller vers de nouvelles méthodes d’essais.L’objectif de ce travail est d'étudier et de modéliser, sur des systèmes métallurgiques très simplifiés, les effets de couplage entre réactions électrochimiques et chimiques qui ne sont pas pris en compte dans l'analyse des essais conventionnels.L’endommagement lors de l’amorçage de la corrosion microstructurale a pu être simulé numériquement par résolution, par la méthode des éléments finis, de l’équation de Nernst-Planck décrivant les phénomènes de transport et les réactions des espèces chimiques en solution.Le comportement en milieu non chloruré de trois combinaisons où le couple IM (cathode)/matrice Al (anode) peut être assimilé à un couple Cuivre/Aluminium a été étudié, ceci de façon à rendre compte de la dissolution sélective qui fait que les phases S ou θ, présentes dans les alliages au cuivre, subissent un enrichissement en cuivre en surface. Pour valider le modèle « AlOH3 » on s’est donc appuyé sur la mesure de la vitesse de corrosion de l’anode pour trois combinaisons testées appelées systèmes modèles.En terme de mécanismes, la confrontation de l’ensemble de ces expériences aux résultats de la simulation numérique démontre que l’amorçage de la dissolution de l’anode nécessite un changement de pH local, et donc que la dépassivation locale de la surface d’aluminium par un effet chimique est l’élément déclenchant du couplage électrique. Pour aller vers une application industrielle et simuler successivement, l’amorçage et la propagation de la corrosion intergranulaire, il reste pour l’amorçage à intégrer les effets d’interaction entre phases et pour la propagation à construire à partir de ce modèle numérique, un modèle valable en milieu confiné et désaéré qui devra satisfaire aux règles physiques imposées par la dimension du système que constitue le joint de grain / In literature, localized corrosion of aluminum alloys has been qualitatively related to the role of microstructure, intermetallic phases (IM) in particular, which induces sensitization to localized corrosion of aluminum alloys containing copper, for example. But modeling effort is needed to go further in the development of new testing methods.The objective of this work is to study and model on very simplified metallurgical systems, the effects of coupling between chemical and electrochemical reactions that are not taken into account in the analysis of conventional tests.The damage induced by the microstructural corrosion initiation has been numerically simulated by resolution, by the finite element method, of the Nernst-Planck equation describing the mass transport phenomena and reactions of chemical species in solution.Behavior in non-chlorinated medium of three combinations where the couple IM (cathode) / Al matrix (anode) has been assumed to be close from a Copper / Aluminium couple has been studied, mimicking the selective dissolution of S or θ phases present in copper alloys leading to a surface copper enrichment. Validation of the model "AlOH3" defined in this study, was based on the measurement of the corrosion rate of the anode for the three model systems which were tested.In terms of mechanisms, the comparison of the experimental results of the numerical simulation clearly highlights that the initiation of the dissolution of the anode requires a change in the local pH, and therefore the local depassivation of the surface aluminum by a chemical effect is the triggering element of the electrical coupling.To transfer this numerical approach to an industrial application and simulate successively, the initiation and the propagation of intergranular corrosion, it remains, for initiation to introduce the effects of interaction between phases and for propagation to build, from this numerical model, a robust model in confined and deaerated environment which must comply with the rules imposed by the physical size of the system as defined by the grain boundary

L’influence de traitements thermiques de revenu sur la corrosion localisée ainsi que sur la résistance mécanique en traction de l’alliage d’aluminium 2024 a été étudiée. Cet alliage est utilisé en construction aéronautique, à l’état T351 (mise en solution, trempe, écrouissage et maturation) grâce aux ses propriétés mécaniques élevées ; à l’état T6 (mise en solution, trempe, revenu au pic de dureté) il présente un bon compromis résistance/ductilité. Par contre, la présence d’hétérogénéités microstructurales le rend sensible à la corrosion localisée. Le traitement T7 (mise en solution, trempe, revenu après pic de dureté) peut améliorer la tenue à la corrosion au détriment des propriétés mécaniques. Dans un premier temps, il s’est agit de déterminer les conditions d’obtention des états métallurgiques T6 et T7 à étudier, à partir des courbes de dureté Vickers en fonction du temps de traitement. Les états métallurgiques obtenus, la microstructure et les propriétés mécaniques à l’échelle macroscopique et locale, ont été analysés. Un point important de cette étude a consisté en la recherche d’une méthode optimale pour la détermination de la distribution des particules intermétalliques grossières, paramètre de premier ordre pour les couplages galvaniques mis en jeu lors de la dissolution des particules. Dans un second temps, le comportement en corrosion, à différentes échelles a été suivi. Des techniques électrochimiques tel que le tracé de courbes de polarisation potentiocinétique et le suivi de potentiel libre, ont permis d’évaluer l’influence du traitement de revenu sur comportement globale en corrosion. A l’échelle locale, la dissolution des particules intermétalliques grossières a été suivie par l’évolution du potentiel de surface en fonction des différents traitements thermiques. Cela a pu être déterminé par microscopie à force atomique, couplée à l’analyse chimique des phases obtenue par spectroscopie à sélection d’énergie. Le taux de corrosion ainsi que l’abattement des propriétés mécaniques à différentes échelles, ont clairement montré l’importance du traitement T7 par rapport au traitement T6. L’ensemble des résultats présente un intérêt industriel dans la mesure où la résistance à la corrosion associée aux propriétés mécaniques peuvent indiquer la probabilité de l’endommagement du matériau. / Nr

Les matériaux métalliques sont utilisés dans des conditions de plus en plus sévères et doivent présenter une parfaite intégrité sur des périodes de plus en plus longues. L'objectif de ce travail de thèse est d'évaluer le potentiel d'un traitement de refusion laser pour améliorer la résistance à la corrosion d'un acier inoxydable de type 304L ; l'utilisation du laser dans le domaine des traitements de surface constituant un procédé en pleine évolution à cause des changements récents dans la technologie des lasers. Dans le cadre de ce travail, le choix du laser s'est porté sur un laser nano-impulsionnel à fibre dopée ytterbium dont les caractéristiques permettent la fusion quasi-instantanée sur quelques microns de la surface traitée, immédiatement suivie d'une solidification ultra-rapide avec des vitesses de refroidissement pouvant atteindre 1011 K/s. La combinaison de ces processus favorise l'élimination des défauts surfaciques, la formation de phases hors équilibre, la ségrégation d'éléments chimiques et la formation d'une nouvelle couche d'oxyde dont les propriétés sont gouvernées par les paramètres laser. Afin de les corréler avec la réactivité électrochimique de la surface, l'influence de deux paramètres laser sur les propriétés physico-chimiques de la surface a été étudiée : la puissance du laser et le taux de recouvrement des impacts laser. Pour clarifier ces relations, la résistance à la corrosion par piqûration des surfaces traitées a été déterminée par des tests électrochimiques. Pour des paramètres laser spécifiques, le potentiel de piqûration d'un acier inoxydable de type 304L augmente de plus de 500 mV traduisant ainsi une meilleure tenue à la corrosion localisée en milieu chloruré. L'interdépendance des différents phénomènes résultant du traitement laser a rendu complexe la hiérarchisation de leur effet sur la sensibilité de l'alliage testé. Cependant, il a été montré que la nature de l'oxyde thermique formé au cours de la refusion laser et ses défauts sont du premier ordre pour l'amorçage des piqûres.

Les matériaux métalliques sont utilisés dans des conditions de plus en plus sévères et doivent présenter une parfaite intégrité sur des périodes de plus en plus longues. L’objectif de ce travail de thèse est d’évaluer le potentiel d'un traitement de refusion laser pour améliorer la résistance à la corrosion d'un acier inoxydable de type 304L ; l’utilisation du laser dans le domaine des traitements de surface constituant un procédé en pleine évolution à cause des changements récents dans la technologie des lasers. Dans le cadre de ce travail, le choix du laser s’est porté sur un laser nano-impulsionnel à fibre dopée ytterbium dont les caractéristiques permettent la fusion quasi-instantanée sur quelques microns de la surface traitée, immédiatement suivie d'une solidification ultra-rapide avec des vitesses de refroidissement pouvant atteindre 1011 K/s. La combinaison de ces processus favorise l'élimination des défauts surfaciques, la formation de phases hors équilibre, la ségrégation d’éléments chimiques et la formation d’une nouvelle couche d’oxyde dont les propriétés sont gouvernées par les paramètres laser. Afin de les corréler avec la réactivité électrochimique de la surface, l’influence de deux paramètres laser sur les propriétés physico-chimiques de la surface a été étudiée : la puissance du laser et le taux de recouvrement des impacts laser. Pour clarifier ces relations, la résistance à la corrosion par piqûration des surfaces traitées a été déterminée par des tests électrochimiques. Pour des paramètres laser spécifiques, le potentiel de piqûration d'un acier inoxydable de type 304L augmente de plus de 500 mV traduisant ainsi une meilleure tenue à la corrosion localisée en milieu chloruré. L’interdépendance des différents phénomènes résultant du traitement laser a rendu complexe la hiérarchisation de leur effet sur la sensibilité de l’alliage testé. Cependant, il a été montré que la nature de l’oxyde thermique formé au cours de la refusion laser et ses défauts sont du premier ordre pour l’amorçage des piqûres. / Metallic materials are more and more used in severe conditions with particularly strong request for improving their behavior in aggressive environment and especially over long periods. The objective of this PhD work is to estimate the potentiality of a laser surface melting treatment on the improvement of the stainless steel 304L corrosion resistance, surface treatments by laser can be revisited on the basis of a recent change in the laser technology. In the frame of this work, a nano-pulsed laser fiber was chosen : it allows the treated surface to be melted for few microns in depth, followed by an ultra-fast solidification occuring with cooling rates up to 1011 K/s. The combination of these processes leads to the elimination of the surface defects, the formation (trapping) of metastable phases, the segregation of chemical elements and the growth of a new oxide layer which properties are governed by the laser parameters. To correlate these latter to the electrochemical reactivity of the surface, the influence of two laser parameters on the physico-chemical properties of the surface was studied : the laser power and the overlap of the laser impacts. To support this approach, the pitting corrosion resistance of the samples was determined by standard electrochemical tests. For specific laser parameters, the pitting potential of a 304L stainless steel was increased by more than 500 mV corresponding to an important enhancement in localized corrosion resistance in chloride environment. The interdependence of the different phenomena resulting from the laser treatment lead to a quite complex prioritization of their role on the sensibility of the 304L. However, it was demonstrated that the nature of the thermal oxide formed during the laser surface melting and the induced defects are first-order parameters for the initiation of pits.