Ce mémoire de thèse présente une analyse multi-physique des endommagements par usure provoqués sur un alliage base cobalt soumis à des sollicitations de fretting pour des températures allant de 25˚C à 600˚C. On montre alors que l’usure est sévère à basse température puis douce à haute température. À basse température, l’usure est contrôlée par une synergie entre l’oxydation de l’interface et l’abrasion de la couche d’oxyde nouvellement formée. Une formulation analytique est développée, prenant en compte ces deux aspects. Cependant, cette loi n’est valable que lorsque le produit de l’endommagement, à savoir les débris d’usure oxydés, sont immédiatement évacués de l’interface. Or, si la température dépasse une température seuil T1, les débris commencent à stagner dans l’interface, ils s’agglomèrent et modifient complètement la réponse tribologique. À haute température, une tribocouche protectrice est formée par compaction et frittage des débris, limitant drastiquement l’usure. La loi d’usure par oxydo-abrasion, décrivant le comportement tribologique à basse température, est alors modifiée pour prendre en compte l’apparition de cette tribocouche. La tribocouche, également appelée glaze layer, possède une structure multi-couches, où les propriétés d’oxydation et de diffusion des éléments d’alliage jouent un rôle prépondérant dans les modalités de sa formation. À la lumière de ces résultats, sont finalement discutés les mécanismes mis en jeu dans l’absence totale d’usure lorsque la glaze layer est efficace à l’interface. / This manuscript presents a multi-physical analysis of the fretting wear damages observed on a cobalt-based alloy. It has been showed that the wear process is severe at low temperature whereas a mild wear process takes place at high temperature. At low temperature, the wear process is driven by a synergetic action of the oxidation of the surface and the abrasion of the newly formed oxide layer. An analytical formulation is then proposed by taking into account these two phenomena. However, the proposed wear law is only valid when the wear debris is immediately ejected out of the interface. Yet, when the temperature is high enough, the debris starts to agglomerate into the interface changing completely the tribological response. At high temperature, a protective tribolayer is formed by a compaction and sintering processes of the wear debris which drastically limits wear. The oxido-abrasive wear law, describing the wear behaviour at low temperature, is then modified in order to take into account the tribolayer formation. The tribolayer, also called "glaze layer", has a multi-layerered structure whose formation is strongly linked to the oxidation and diffusive properties of the alloying elements. In the light of these results, the tribological mecanisms providing complete protection of the interface from further wear are discussed.

Dans un turboréacteur civil, le contact aube/disque de la turbine basse pression est soumis à un cyclage thermomécanique dû aux dilatations et déplacements différentiels des pièces pendant les phases de vol. Ce cyclage implique des micro-mouvements alternés relatifs, c’est-à-dire du fretting, à l’interface aube/disque. Le fretting à l’étude ici concerne un contact céramique-métal, en vue de comprendre le comportement tribologique des futures aubes revêtues de céramique en remplacement des pièces métalliques traditionnelles. Dans un premier temps, différents revêtements sont comparés vis-à-vis de leur tenue à l’usure par fretting à la température de fonctionnement des pièces (700°C). L’alliage métallique du contrecorps est celui du clinquant protégeant le disque, à savoir l’alliage base cobalt HS25. Pour le contact HS25/céramique le plus prometteur, le taux d’usure très bas ainsi que le faible frottement observés sont associés à la formation d’une glaze layer. La glaze layer est un troisième corps formé à partir des débris d’usure qui apparaît dans des contacts frottant à haute température. Traditionnellement observée pour des contacts métal/métal, sa formation pour un contact métal/céramique est nouvelle. La glaze layer est alors étudiée en détail. D’un point de vue tribologique, on établit sa cinétique et ses conditions de formation en température et en fonction des paramètres tribologiques, afin de garantir une usure faible en conditions de vol. D’un point de vue morphologique, la glaze layer est caractérisée comme étant un matériau nanostructuré amorphe et cristallin, formé à partir de débris à la fois métalliques et oxydés. Enfin, la glaze layer nanostructurée est associée à un comportement mécanique ductile dans son domaine de stabilité, alors que les débris sont fragiles en conditions d’usure forte. La corrélation des angles d’étude de la glaze layer permet alors de connaître les modalités de sa formation, en vue d’anticiper la protection d’un contact vis-à-vis de l’usure grâce à la création d’une glaze layer. / In a civil turbojet motor, the blade/disk contact in the low pressure turbine undergoes thermomechanical cycling due to relative displacements between parts during the different flight phases. This cycling results in reciprocating micro-movements named “fretting” at the blade/disk interface. This study focuses on a ceramic versus metallic contact under fretting, aimed at describing the tribological behavior of developing ceramic-coated blades to replace phased-out metallic parts. Firstly, different ceramic coatings are compared regarding their wear resistance under fretting at in-flight temperature (700°C). The counterbody is the HS25 (cobalt-based alloy) protecting foil of the disk. The most favorable ceramic/metallic tribocouple evidences a very low wear rate as well as low friction that match the formation of a glaze layer. The glaze layer is a third body formed from wear debris in high temperature rubbed contacts. Such tribofilm has been commonly observed in metallic/metallic interfaces but its occurrence in a ceramic/metallic contact is new. Then the glaze layer is precisely characterized. Tribologically speaking, its kinetics and formation conditions are determined over temperature and tribological parameters, in order to ensure low wear under flight conditions. Morphologically, the glaze layer is a nanostructured amorphous and crystalline sintered from both metallic and oxidized worn debris. Finally, the nanostructured glaze layer is mechanically described as a ductile material in its stability domain, whereas debris from severe wear are brittle. The correlation of morphological, physico-chemical and mechanical studies enlighten the glaze layer formation criteria, with the aim of predicting glaze layer occurrence, hence wear protection for a given contact.

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.