Le sujet de thèse s’inscrit dans une problématique d’allègement de structures des moyens de transport civils et militaires. Actuellement, les pièces de structures métalliques de ces moyens sont principalement composées d’alliages d’aluminium et d’aciers. Avec une densité inférieure et des propriétés mécaniques spécifiques similaires à ces métaux, l’alliage de magnésium AZ91 représente une solution de substitution prometteuse. En dépit de son durcissement structural par précipitation, ses propriétés mécaniques relativement faibles limitent son emploi actuel comme matériau de structure. Une amélioration de ces propriétés pourrait être permise au travers d’un affinement de la microstructure et d’un renforcement par l’ajout de particules céramiques. La métallurgie des poudres, en particulier le procédé Spark Plasma Sintering (SPS), permettrait d’allier ces deux voies d’amélioration en produisant un composite à fine microstructure avec un renforcement particulaire contrôlé. Cette thèse a pour objectifs le développement par SPS d’alliages AZ91, l’optimisation de leurs propriétés mécaniques par un contrôle de leur microstructure et l’étude de leur renforcement potentiel par l’ajout de particules de SiC. Le contrôle microstructural a été réalisé par l’intermédiaire des paramètres du procédé SPS et a porté principalement sur la densification de l’alliage, sa taille de grains et sa teneur en précipités. La caractérisation mécanique des matériaux produits a été composée d’essais de dureté, d’essais de compression en conditions quasi-statiques et dynamiques, ainsi que d’essais de traction. Les essais de traction ont été réalisés à l’issue d’un changement d’échelle de production, passant de pièces cylindriques Ø30 mm à des pièces Ø80 mm. Outre la réalisation d’essais de traction, le changement d’échelle a permis d’étudier la reproductibilité des conditions de production. Alors que l’optimisation mécanique des matériaux frittés a porté sur leurs propriétés en compression, les essais de traction ont permis d’évaluer leur cohésion et leur ductilité. Afin de montrer les améliorations permises par l’affinement microstructural et le renforcement particulaire, les matériaux élaborés par SPS ont été comparés à des alliages AZ91 produits par fonderie / The present PhD thesis falls within a structure lightweighting issue in the transport field for civil and military applications. Today, the metallic structural parts in transports are mainly composed of aluminum alloys and steels. With an inferior density and a similar specific mechanical strength to these metals, the AZ91 alloy appears to be a promising alternative. Despite its precipitation strengthening, its relative low mechanical properties limit its current use as engineering material. An improvement could be reached via microstructure refinement and ceramic particle strengthening. Powder metallurgy, involving Spark Plasma Sintering (SPS), will be used as an effective way to improve the AZ91 properties using these two approaches. AZ91 alloys were produced by SPS and reinforced by SiC particles. Their mechanical properties were optimized by microstructure control. This control was carried out by adjusting the SPS processing parameters to optimize the alloy densification, its grain size and its precipitate content. The mechanical properties of the materials were evaluated via hardness testing, compression tests in quasi-static and dynamic conditions as well as quasi-static tensile tests. The tensile tests were carried out after an up-scaling of the production process from Ø30 mm cylindrical pieces to Ø80 mm pieces. In addition to the tensile tests, the up-scaling step allowed to study the repeatability of the process conditions. While the mechanical optimization of the SPS processed materials was paid on their compressive properties, their tensile properties gave information on their cohesion and ductility. In order to highlight the mechanical improvement got by microstructure refinement and particle strengthening, the SPS processed materials were compared with cast AZ91 alloys

Les cermets, nommés M(p)-CMC(s), « Ceramic Matrix Composite dispersed with Metallic Particles », sont prometteurs dans les applications à haute température. Un cermet modèle (304L-YSZ) constitué de 40 % vol. de particules d'acier inoxydable 304L dispersées dans une matrice de zircone partiellement stabilisée à l’yttrium a été préparé par métallurgie des poudres. Les cermets sont homogènes et possèdent une densité voisine de 97 % par rapport à la densité théorique. Une étude cinétique basée sur l’hypothèse de l’étape limitante, a été réalisée afin de proposer un mécanisme et un modèle d’oxydation du cermet. Dans un premier temps, l’oxydation de la poudre d’acier inoxydable a été étudiée sous oxygène à 800 °C. Les expériences d'oxydation sous He (80 %)-O2 (20 %) ont été conduites par thermogravimétrie. Conformément à la littérature, la cinétique d’oxydation de la poudre suit un régime de diffusion. Une couche d’oxyde à base de chrome à croissance externe est observée.En revanche, la cinétique d’oxydation du cermet modèle est différente de celle de la poudre de 304L. Un fort gain de masse est observé dès l’introduction de l’oxygène au début du palier isotherme. Pendant le palier isobare, la prise de masse est lente et n’est pas régie par la diffusion. La caractérisation des cermets oxydés montre que des nodules riches en chrome apparaissent tout d’abord à l’intérieur du métal. Puis une couche d’oxyde à base de chrome et de fer se forme par croissance externe. La matrice de zircone ne limite pas la diffusion de l’oxygène vers le métal. Elle se fissure sous l’action des contraintes mécaniques induites par le changement de volume des particules de 304L pendant l’oxydation. / Ceramic matrix composite dispersed with metallic particles, called M(p)-CMC(s), are being developed for optimizing several functions of industrial components in severe atmospheres at high temperature.The corrosion of a model M(p)-CMC(s), based on 304L stainless steel and yttrium doped zirconia (304L(p)-ZrO2(s); 40%/60% in volume) is studied and compared with the oxidation behaviour of the stainless steel powders. The oxidation behaviour of the model 304L(p)-ZrO2(s) composite produced by powder metallurgy, studied by means of the thermogravimetry under 20 % O2 in helium at 800 °C, is presented. Oxidation curves show a fast increase in mass gain followed by slow one for the composite material. SEM observations and Auger spectroscopy measurements of the oxidized composite indicate an outward complex Cr and Fe rich oxide layer whereas Cr2O3 nodules are observed to nucleate and develop inward. For 304L stainless steel powder, the shape of the mass gain curve is parabolic, in agreement with a diffusion controlled oxidation. SEM observations of oxidised powder and in situ XRD measurements at 800 °C under oxygen show an external growth of Cr2O3 oxide layer.The low resistance to oxidation of the composite (compared to the powder) in the initial period seems to be due to the properties of the zirconia/metallic particles interface obtained after the sintering process. Under reducing conditions, the initial Cr2O3 layer reacts with zirconia matrix. TEM observation of the “as sintered” interface between the metallic particles and the ceramic shows no chromia layer. Sudden changes in oxygen partial pressure during experiments reveal an accelerating effect of the oxygen pressure.

L’allègement des structures des véhicules est l’une des problématiques actuelles majeures car il permet d’atteindre de meilleures performances, une autonomie plus importante et une consommation plus faible. Ceci est d’autant plus vrai dans le domaine de la défense où la nécessité de se protéger face aux menaces balistiques implique un ajout de masse conséquent. Les alliages d’aluminium sont pour l’instant l’un des meilleurs compromis, mais augmenter leurs performances permettrait un nouveau gain de masse. Dans ce contexte, la métallurgie des poudres (MdP) se présente comme une alternative de choix aux procédés de mise en forme traditionnels car elle permet de combiner différents modes de renforcement des propriétés mécaniques, à savoir la nanostructuration, l’écrouissage, les solutions solides et les renforts particulaires. Dans un premier temps, l’étude s’est focalisée sur la possibilité de combiner haute densité et durcissement structural d’un alliage Al-Zn-Mg. La précipitation confère au matériau brut fritté des propriétés mécaniques un peu plus faibles que celles d’un alliage AA7020 de coulée traité à l’état T651. L’approche a ensuite été appliquée à la poudre broyée, le but étant alors d’associer densité et précipitation tout en préservant les grains ultrafins obtenus par broyage. Enfin, la problématique de la consolidation de composites à matrice métallique à grains ultrafins et à renforts B4C a été abordée / Lightweight materials are very attractive in the global industry, and more specifically in the field of automotive and aeronautics fields. For army vehicles the reduction of the weight has increased the need for lightweight metal and ceramic armor systems ; the combination of these materials being a key element in modern packages. Nowadays, aluminum alloys are widely introduced in such systems. Increasing the mechanical properties of these alloys will automatically imply a decrease of the mass of ballistic protections. In this context, the powder metallurgy route appears promising as it allows simultaneously to nanostructure the matrix by strain hardening and to scatter properly particles reinforcements. First, the choice has been made to focus on the combination of high density and hardening precipitation of an Al-Zn-Mg alloy. Strengthening precipitates give the consolidated raw powder mechanical properties close to the ones of a commercial wrought aluminum alloy AA7020 in a T651 temper. Then the same process was optimized on a milled powder in order to preserve the fine grains obtained by high energy ball milling. Finally, B4C particles were introduced as reinforcements in the aluminum matrix to develop an ultrafine-grained metal matrix composite

Aux fréquences micro-ondes, les ferrites sont caractérisés par une perméabilité tensorielle, représentative de leur anisotropie induite sous champ magnétique. Cette propriété spécifique est à l'origine du comportement non réciproque de dispositifs comme les circulateurs et les isolateurs. Les limitations des milieux ferrites (aimantation à saturation réduite, fortes températures de frittage lors de leur élaboration) conduisent cependant les laboratoires à étudier des matériaux s'y substituant. Pour pouvoir réaliser des fonctions hyperfréquences non réciproques optimisées à partir de tels matériaux, la mesure préalable de leur tenseur de perméabilité est requise sur une large bande de fréquences. L'originalité du travail présenté dans ce mémoire est double : - dans un premier temps, une technique de mesure non itérative des éléments (µ, k) du tenseur de perméabilité des milieux magnétiques, dans un état quelconque d'aimantation, a été développée. Elle est utilisable du continu jusqu'environ 6 à 7 GHz, selon le type de matériau testé. Outre la détermination analytique de (µ, k) en fonction des paramètres S de la cellule de mesure en ligne de transmission élaborée, son principal intérêt est de permettre d'étudier le matériau dans des conditions voisines de celles fixées par l'application en technologie planaire ultérieure (mesure « in-situ »), - à partir de cette technique de caractérisation expérimentale, les propriétés d'anisotropie induite de matériaux composites nanostructurés aimantés ont ensuite été démontrées puis ajustées pour mettre en œuvre un isolateur hyperfréquence à résonance. Les performances de ce dernier sont au moins comparables à celles des isolateurs à ferrites, pour une quantité de matière magnétique moindre.

Des matériaux composites à matrice de titane renforcée par des fibres continues de carbone ont été élaborés par un procédé basé sur la métallurgie des poudres et dont certaines facettes sont proches de techniques utilisées pour les céramiques et pour les matériaux composites à matrice polymère. La mise en oeuvre de ce procédé a été confrontée à diverses difficultés que des études partielles ont permis de surmonter : la préparation de poudres de titane particulièrement fines, le couplage entre ces poudres et les mèches de fibres de carbone, le déliantage, la consolidation et la densification de la matrice de titane sous pression et à haute température. Bien que la faisabilité du procédé ait été démontrée, l'utilisation de poudres de titane insuffisamment fines ne permet pas d'incorporer des fractions volumiques de fibres de plus d'une dizaine de pour-cent, ce qui limite considérablement l'effet de renforcement évalué par des essais de traction. En revanche, l'incorporation dans les mèches de poudres d'hydrure de titane ne dépassant pas quelques microns a permis d'atteindre des fractions volumiques de plus de 30%.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, la gestion thermique de l'intégration des puces en silicium au sein du système global constitue un problème clé. La chaleur dissipée par les composants électriques est évacuée vers l extérieur à travers un drain thermique, généralement en cuivre, qui est brasé sur le substrat céramique. Cette étude est consacrée à l'élaboration de drains thermiques adaptatifs en matériaux composites cuivre allié/fibres de carbone (FC) qui combinent une bonne conductivité thermique et un CTE proche de celui du substrat. Dans ce type de matériau, la liaison interfaciale renfort/matrice doit être forte afin d'optimiser le transfert des propriétés entre les deux composants. Le couple cuivre/carbone étant non réactif, un élément d addition carburigène (Cr ou B) est ajouté à la matrice de cuivre afin de créer cette liaison chimique forte. Un matériau modèle a été réalisé par pulvérisation cathodique afin d étudier la diffusion de l élément d addition au sein de la couche de cuivre vers la zone interfaciale et la formation d un carbure métallique. Une méthode de chimie des solutions a ensuite été utilisée pour élaborer des poudres de cuivre allié de stœchiométrie donnée. Enfin, les matériaux composites (Cu-B/FC et Cu-Cr/FC) ont été élaborés par métallurgie des poudres et leurs propriétés thermiques et mécaniques corrélées à la microstructure et à la chimie des zones interfaciales

Ce travail de thèse porte sur le développement de films diamantés pour des applications de dissipation de chaleur dans les circuits électroniques de puissance. Dans le cadre d'un accord de cotutelle franco-américain, une approche duale a été adoptée. En France, la fabrication de films composites à matrice cuivre et renforts diamant par métallurgie des poudres a été privilégiée. Aux Etats-Unis, les efforts se sont concentrés sur la croissance de films de diamant par une méthode de combustion de flamme assistée laser. Dans chacune des approches, les corrélations entre microstructure et interfaces (microscopies à balayage et à transmission), composition chimique (spectroscopies Auger, Raman, XPS), et propriétés thermiques (radiométrie flash laser, radiométrie photothermique infrarouge, dilatométrie, cyclage thermique) ont été établies. Enfin, la simulation du comportement des matériaux en situation de fonctionnement opératoire à été abordée.

Ce travail de thèse porte sur le développement de films diamantés pour des applications de dissipation de chaleur dans les circuits électroniques de puissance. Dans le cadre d’un accord de cotutelle franco-américain, une approche duale a été adoptée. En France, la fabrication de films composites à matrice cuivre et renforts diamant par métallurgie des poudres a été privilégiée. Aux Etats-Unis, les efforts se sont concentrés sur la croissance de films de diamant par une méthode de combustion de flamme assistée laser. Dans chacune des approches, les corrélations entre microstructure et interfaces (microscopies à balayage et à transmission), composition chimique (spectroscopies Auger, Raman, XPS), et propriétés thermiques (radiométrie flash laser, radiométrie photothermique infrarouge, dilatométrie, cyclage thermique) ont été établies. Enfin, la simulation du comportement des matériaux en situation de fonctionnement opératoire à été abordée. / This PhD work deals with the development of diamond-based heat-spreading films for power electronic packaging applications. In the frame of a French-American dual PhD agreement, a double research approach was adopted. In France, the fabrication of copper-matrix diamond-reinforced composite films through tape casting and hot pressing has been endeavoured. In the US, the efforts were focused on the growth of diamond films through laser-assisted combustion synthesis. In both cases, relationships between the microstructure and the interfaces (scanning and transmission electron microscopy), the chemical composition (Auger, Raman, and XPS spectroscopy), and the thermal properties (flash laser radiometry, infrared photothermal radiometry, dilatometry, thermal cycling) of the final materials were established. Finally, the behaviour of the materials in operating environment was simulated.

La récupération d’énergie par effet thermoélectrique est une technologie fiable avec un grand potentiel. Dans la gamme des hautes températures, il est nécessaire que les générateurs thermoélectriques soient fabriqués à partir d’un matériau massif pour gagner en puissance électrique. Dans la littérature, la nanostructuration baisse la conductivité thermique et permet d’augmenter le rendement de conversion. Par contre, l’effet de la porosité n’est pas clarifié. Par contre, l’effet de la porosité est sujette à controverse.Dans ce travail, l’alliage Si80Ge20 type n est élaboré par mécanosynthèse. Ce matériau est typique pour les applications aux hautes températures (vers 800◦C). La poudre nanocristalline est compactée en matrice, `a froid puis `a chaud. En plus de la caractérisation microstructurale, l’évolution de la microstructure est caractérisée par microscopie fine et par diffraction des rayons X. Les propriétés thermoélectriques et mécaniques sont identifiées expérimentalement. Cette étude montre que la nanostructuration du matériau est préservée et que le meilleur facteur de mérite obtenu est légèrement supérieur à l’unité pour un état dense. Cependant, les échantillons poreux ont une faible conductivité électrique dû à la taille macroscopique des pores, ce qui limite leurs rendu thermoélectrique final.Par la suite, le comportement mécanique de la poudre est modélisé au moyen de simulations fondées sur la méthode des éléments discrets (DEM, Discrete Element Method). Cette démarche permet de suivre l’évolution de l’empilement de particules pendant la densification et d’accéder aux paramètres microstructuraux clés. Les microstructures numériques obtenues par la DEM sont ensuite utilisées pour des calculs de conductivités thermiques et électriques. Les échantillons sont modélisés par trois phases dépendantes de leurs propriétés : la matrice SiGe, les pores et les joints de grains. Contrairement aux mesures expérimentales, le rendement thermoélectrique est maximal pour 30% de nanoporosité résiduelle. Ce résultat peut être expliqué par un modèle analytique qui prend en compte la résistance thermique des joints de grains ainsi que l’évolution de la microstrcuture pendant le procédé de densification. Une alternative au procédé de mise en forme actuel est proposée pour synthétiser la microstructure optimale. / Energy recovery by thermoelectric effect is a promising technology which offers greatreliability. In the range of high temperatures, it is necessary that the thermoelectric generatorshave to be made of bulk material to increase electrical power. In the literature,nanostructuring decreases the thermal conductivity and therefore enhances the conversionefficiency. On the contrary, the effect of porosity is a matter of debate.In this work, n-type Si80Ge20 alloy prepared by mechanical alloying is investigated. It isa typical material for high temperature applications (around 800◦C). The nanocrystallinepowder is compacted uniaxially at room temperature and then hot pressed. In addition tothe microstructural characterization, thermoelectrical and mechanical properties are identifiedexperimentally. This study shows that the grain size is kept below 200nm. The bestmeasured figure of merit is slightly slightly larger than one for dense specimens. However,the porous samples have low electrical conductivity which limits their final thermoelectricrendering.The mechanical behaviour of the powder is modelled through simulations using thediscrete element method (DEM). This approach has the advantage of following the evolutionof particle rearrangement during densification and provides useful information onmicrostructural parameters. Numerical microstructures obtained from DEM simulationsare then used for calculations of thermal and electrical conductivities. The samples aremodelled by three phases according to their properties : SiGe matrix, pores and grainboundaries. The conductivities ratio is maximal for 30% of residual porosity. This resultis explained by the analytical model that takes into account the thermal resistance ofthe grain boundaries as well as microstructure evolution during the densification process.Based on these findings, an alternative processing route is proposed to build an optimizedmicrostructure.

Le procédé de fusion sélective par laser est un des nombreux procédés de fabrication additive qui permet la production rapide de pièces à partir d'un fichier CAO (conception assistée par ordinateur) et de lits de poudre. Après une description du fonctionnement du procédé par l'intermédiaire de ses paramètres opératoires, le manuscrit décrit les travaux entrepris pour l'élaboration de pièces en Inconel 625. Ce superalliage à base nickel a fait l'objet d'une étude paramétrique pour déterminer un jeu de paramètre optimal permettant de produire des pièces saines. Cette étude est basée sur des considérations énergétiques qui visent à maximiser le rendement de conversion de l'énergie électromagnétique en énergie thermique tout en assurant la cohésion entre couches. Des essais de traction valident la stratégie employée au niveau de l'étude paramétrique. Un second alliage est étudié, l'Inconel 738 qui est un superalliage renforcé par la précipitation d'une phase γ'-Ni3(Al,Ti). Les travaux entrepris ne concernent pas l'élaboration mais la caractérisation de l'alliage. Il est mis en évidence que celui-ci est dans un état hors de l'équilibre thermodynamique lorsque produit par fusion laser sélective. La précipitation de la phase durcissante n'est pas complète. Ce constat peut permettre d'éviter la fissuration de l'alliage pendant la fabrication en adaptant les paramètres opératoires, notamment au niveau du préchauffage. Une étude sur les traitements thermiques montre que la gamme appliquée traditionnellement à l'alliage coulé ne convient pas pour l'alliage élaboré par fusion sélective ; cette étude ouvre sur des alternatives. Enfin, ces travaux apportent quelques éléments de réponse quant à la pertinence énergétique du procédé. / The selective laser melting (SLM) process is one of the many additive manufacturing processes that allow to rapidly build a part from a computer-aided design (CAD) file and from a powder bed. The work described here deals with the different parameters related to the process, namely the building platform stepping and the laser radiation and its interaction with the metallic matter. The first Ni-based superalloy studied here is Inconel 625 which has been subjected to a parametric study with an energetic approach. It was all about finding the maximum in the conversion of electromagnetic energy into thermal energy. Tensile tests validate the use of the energetic strategy for this alloy. The second studied alloy is Inconel 738 which is hardened by fine γ'-Ni3(Al,Ti) precipitates. Microstructure observations and differential thermal analysis reveal that the γ' precipitation is not complete when the alloy is processed by SLM. This leads to give clues for crack-free processing by adjusting the parameters and especially the preheating feature. Different heat treatments on SLMed materials have been investigated. It appears that the standard procedure applied on cast alloy to reach proper microstructure for good mechanical properties is not adapted to the SLMed alloy. New standards must be defined to comply with the initial out of equilibrium state. Last but not least, the manuscript gives information regarding the energetic use of the process which should be compared with the will of environmental impact reduction policy called by the process.