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

Cette étude a pour but de développer de nouveaux matériaux composites à matrice métallique renforcés par des nanotubes de carbone (CNT) et présentant des propriétés mécaniques améliorées. La majeure partie de ce travail a été réalisée en utilisant des CNT multi-feuillets synthétisés par déposition chimique en phase vapeur en tant que renforts et un alliage d'aluminium AA5083 comme matrice. Des composites CNT/AA5083 denses et homogènes ont été élaborés par le procédé de métallurgie des poudres suivi par une étape de mise en forme, l'extrusion. L'homogénéité de la dispersion des CNT à l'échelle microscopique dans les composites s'avère être un paramètre clé pour l'amélioration des propriétés mécaniques. Ceci a été réalisé par broyage planétaire à haute énergie impliquant des mécanismes de déformation plastique et de soudure à froid et a été démontré à l'aide d'études cartographiques par spectroscopie Raman. La limite d'élasticité, la résistance à la traction et la micro-dureté des composites homogènes ont été augmentées jusqu'à respectivement 55%, 61% et 33% en comparaison avec l'alliage sans CNT et préparé dans les mêmes conditions. Le coefficient de dilatation thermique a été quant à lui réduit de 10%. Les propriétés optimales ont été obtenues pour des concentrations en CNT de 1,5 % en masse. Le renforcement du matériau a été principalement attribué au transfert de charge à l'interface CNT/matrice. / The overall goal of this thesis is to process new metal matrix composites reinforced by CNT with enhanced mechanical properties. The main part of this work was achieved using CVD-grown multi-walled CNT as reinforcement and a high-performance light aluminium alloy, AA5083, as the matrix. Dense and homogeneous CNT/AA5083 composites were processed by the powder metallurgy route, followed by an extrusion forming process. A homogeneous dispersion of the CNT in the composites at the micron scale appears to be a key parameter for improving the mechanical properties. This could be achieved using high energy ball milling through the mechanisms of plastic deformation and cold-welding, and was demonstrated from Raman spectroscopy cartography studies. Yield strength, ultimate tensile strength and micro-hardness of the homogeneous composites were increased by up to 55%, 61% and 33%, with respect to raw alloys processed in the same conditions, and the coefficient of thermal expansion was decreased by 10%. Optimal results were obtained with a CNT con-tent of 1.5 wt.-%. The material strengthening was principally attributed to load transfer at the CNT/matrix interface.

En raison de leur propriétés spécifiques élevées, par rapports aux alliages légers, les Composites à matrice métallique (CMM) représentent des matériaux d'intérêt pour des applications de haute technologie dans les domaines aéronautique et aérospatiale. Les CMM les plus couramment utilisés sont à renfort particulaire, ou PRMMC, et à matrice Al en raison de leur faible densité. Cette thèse porte sur la mise au point de PRMMC à renfort nanométrique par une voie de synthèse réactive globale. En raison des normes encadrant l’usage des nanomatériaux et visant à limiter l’exposition des usagers et de l’environnement, la manipulation de poudres de taille nanométrique est coûteuse et problématique dans le cadre d’un usage industriel. La nouvelle voie de synthèse qui a été développée dans le cadre de cette thèse a permis de démontrer la faisabilité de composites à matrice métallique et à renfort particulaire nanométrique, dimension moyenne de 30 nm, sans avoir recourt initialement à des poudres de taille nanométrique. Le procédé étudié consiste en une réaction chimique à haute température entre deux matériaux précurseurs qui conduit à la formation in-situ non seulement du renfort mais aussi de la matrice. Par rapport aux techniques de synthèse classiques, cette technique permet de synthétiser des nanoparticules in situ et d’en contrôler la taille. De plus, la matrice et le renfort étant co produits par la réaction à haute température, l’interface entre les deux phases est exempte de couches d’oxydes, ce qui lui assure une très bonne adhésion. Dans le cadre du projet ANR NanoTiCAl, la faisabilité de cette nouvelle méthode a été étudiée à travers le cas d'un composite à matrice aluminium renforcé par des particules de carbure de titane (TiC). Les synthèses ont été réalisées entre 900°C et 1000°C à partir d’un couple de précurseurs incluant le graphite et un aluminiure de titane (Al3Ti). Le composite obtenu, caractérisé par un taux de renfort élevé de 34wt.%, possède un module de Young de 106 GPa, un allongement maximal à la rupture de 6% ainsi qu’une énergie à rupture de l’ordre de 28 J.cm-3. Ces valeurs démontrent un compromis entre résistance et capacité d’endommagement original et particulièrement intéressant, jamais observé dans la littérature pour des composites d’une teneur en renfort aussi importante. La caractérisation fine de la microstructure du composite ainsi que du renfort TiC après extraction du composite massif, ont permis de mieux comprendre les mécanismes à l’oeuvre dans cette voie de synthèse réactive. Enfin, sur la base de la compréhension obtenue dans le cas du composite Al/TiC, des critères ont été identifiés permettant d’aller vers une généralisation de ce procédé de synthèse. La pertinence de cette généralisation a finalement pu être démontrée par quelques mises en application à d’autres systèmes / Metal Matrix Composites (MMCs) have attracted research and industrial attentions as materials for high technological applications in the aeronautic and aerospace industry. The MMCs differ by their high specific mechanical properties compared to light weight alloys. The most commonly used are the Particulate Reinforcement Metal Matrix Composites (PRMMCs), especially the Al based matrices because of their low density.This thesis deals with the reactive synthesis of PRMMCs reinforced by nanoparticles. Because of the standards governing the use of nanomaterials to limit the exposure of users and environment, handling nanoscaled powders is very problematic and expensive in industry. Furthermore, the cost of this kind of processes is very high. This new synthesis route, developed during this thesis, shows the feasibility of PRMMCs reinforced by nanosized particles, with a mean size of 30 nm, without using any starting nanoparticles.The process consists in a chemical reaction at high temperature between precursor materials which leads to form both of the matrix and the reinforcement phase. Compared to conventional synthesis techniques as stir casting, this route allows to synthesis nanoparticles in-situ and to control their size. In addition, the matrix and the reinforcement, which are formed by a reaction at high temperature, have an interface free of oxide layers which assures a good adhesion.In the NanoTiCAl project, the feasibility of this new method is illustrated in the case of an aluminium based composite reinforced by titanium carbide (TiC). The synthesis were realized between 900°C and 1000°C from a couple of precursors including graphite and titanium aluminide (Al3Ti). The resulting composite, characterized by a high reinforcement ratio (34 wt.%), presents a Young’s modulus of 106 GPa, a maximum elongation of 6 % and a high toughness, about 28 J.cm-3. These values represent an uncommon compromise between strength and toughness never seen in the literature regarding to the high content of reinforcement.The characterization of the composite microstructure and of the reinforcement phase, after extraction of the solid composite, allowed a better understanding of the reaction mechanism during the reactive synthesis. Finally, based on our understanding of the Al-TiC composite, criteria have been identified to generalize this synthesis process. This generalization was demonstrated with success in other systems

Le procédé de projection à froid a démontré ses avantages uniques dans la préparation de revêtements métalliques, composites et céramiques. Parmi ces revêtements, ceux constitués de magnésium pur ou de composites à matrice métallique à base de magnésium font partie des matériaux les plus prometteurs en raison de leur excellente résistance spécifique. Pourtant, les mécanismes de fabrication, par ce procédé de projection, des revêtements magnésium et composites à base de magnésium n'ont pas été étudiés. C'est le sujet de cette thèse. Les recherches menées dans cette étude s'articulent autour de plusieurs domaines, à savoir: La science des matériaux avec des études sur l'effet de la granulométrie des particules de magnésium, l'effet de la taille et de la teneur (15% vol. - 60 % vol.) des particules de renforcement (SiC) ; La mécanique des fluides avec des modélisations de géométrie de buse, d'écoulement de gaz et des vitesses des particules de magnésium et alliage de magnésium (AZ91D) ; Les caractérisations des dépôts avec des analyses de microstructure et des mesures de microdureté, d'adhérence et de comportement au frottement des revêtements;Les résultats montrent que la projection à froid peut être utilisée pour fabriquer des revêtements de magnésium purs ou composites sans aucune oxydation ou transformation de phase. La taille de ces particules doit rester dans une fourchette acceptable pour égaler la vitesse critique (entre 653 m*s-1 et 677 m*s-1) permettant la déposition. Concernant plus spécifiquement les résultats sur les revêtements de magnésium pur, le maximum de rendement de dépôt est obtenu par projection d'une poudre de granulométrie comprise entre 22 μm et 64 μm. L'adhérence atteint 11.6 ± 0.5 MPa lorsque le substrat est préchauffé à 200 oC. Pour le cas des revêtements AZ91D, la construction du dépôt s'effectue par effet de verrouillage mécanique. Le type de frottement observé sur ces revêtements est une usure adhésive. Dans les revêtements composites d'AZ91D - SiC, la teneur en particules de renforcement SiC présentes dans le dépôt diminue avec leur taille dû à l'effet "onde de choc". Le rendement de dépôt augmente avec la teneur en SiC de 15 vol.% à 30 vol.%, puis diminue au-delà de 30 vol%. Le type de frottement correspond à une usure par abrasion.

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.

Les moteurs électriques, les transformateurs, les électroaimants et autres appareils électriques nécessitent des matériaux qui sont en mesure de canaliser les lignes de champ magnétique tout en limitant les pertes qu’elles entraînent. Les matériaux utilisés à cet escient sont appelés matériaux magnétiques doux. Un des moyens utilisé pour limiter les pertes dans ces matériaux est d’augmenter leur résistivité. Pour y arriver, on unit des matériaux très résistifs à des matériaux ferromagnétiques. On obtient ainsi des composites magnétiques doux. Depuis plus de 100 ans, le type de composite magnétique doux le plus utilisé consiste en un empilement de tôles de fer laminées séparées par un matériau isolant. Ces matériaux sont très efficaces mais ont leur lot d’inconvénients. Depuis quelques années, une nouvelle technique s’appuyant sur la métallurgie des poudres a été développée. Elle consiste à envelopper des particules de fer d’un matériau isolant et de les compacter. On obtient ainsi un matériau qui peut être très résistif. Ce projet avait pour but de développer un composite magnétique doux à base de poudre métallique dont le matériau isolant serait de la ferrite NiZn nanométrique. Pour y arriver deux techniques ont été étudiées. La première consistait à recouvrir les particules de fer par placage de la ferrite et la seconde consistait à ajouter nanoparticules de ferrite NiZn à la poudre de fer. Les résultats ont permis de constater que les deux techniques pouvaient être utilisées pour le développement de composite magnétiques doux. Plus spécifiquement, on a obtenues des pertes magnétiques de 11,9 W/kg et de 93 W/kg à 60 Hz et 400 Hz respectivement pour les échantillons préparés par placage de la ferrite et de 13,5 W/kg et de 137 W/kg à 60Hz et 400 Hz respectivement pour les échantillons préparés par ajout de nanoparticules. / Electric motors, transformers, electromagnets and many other electric devices require materials that can provide a path for magnetic field lines while minimizing losses that they generate. Materials used for these applications are called soft magnetic materials. One way to minimize losses in such materials is to increase their resistivity. In order to do so, highly resistive materials are coupled with ferromagnetic materials. These are called soft magnetic composites. For more than one hundred years, the most common type of soft magnetic composite was made by stacking sheets of rolled iron separated by a thin layer of insulating materials. These were very simple and efficient but also had their share of drawbacks. During the last decades, a new technique based on powder metallurgy was developed. It consists in coating iron particles with an isolating material prior to compaction. This type of materials can be highly resistive. The objective of this project was to develop a soft magnetic composite using metal powders in which the insulating materials would be nanometric NiZn ferrite. Two different techniques were studied in order to achieve this goal. The first one consists in coating iron powders with NiZn ferrite using ferrite plating and the second one consists adding nanoparticles to iron powder. The results obtained throughout this study showed that these two techniques could certainly be used to develop metal powder based soft magnetic composites. More specifically, magnetic weight losses of 11,9 W/kg and 93 W/kg were obtained at 60 Hz and 400 Hz respectively for components prepared using the ferrite plating technique while losses of 13,5 W/kg and 137 W/kg were obtained at 60 Hz and 400 Hz respectively for components prepared by adding ferrite nanoparticles.

Le procédé de projection à froid a démontré ses avantages uniques dans la préparation de revêtements métalliques, composites et céramiques. Parmi ces revêtements, ceux constitués de magnésium pur ou de composites à matrice métallique à base de magnésium font partie des matériaux les plus prometteurs en raison de leur excellente résistance spécifique. Pourtant, les mécanismes de fabrication, par ce procédé de projection, des revêtements magnésium et composites à base de magnésium n'ont pas été étudiés. C’est le sujet de cette thèse. Les recherches menées dans cette étude s’articulent autour de plusieurs domaines, à savoir: La science des matériaux avec des études sur l’effet de la granulométrie des particules de magnésium, l’effet de la taille et de la teneur (15% vol. - 60 % vol.) des particules de renforcement (SiC) ; La mécanique des fluides avec des modélisations de géométrie de buse, d’écoulement de gaz et des vitesses des particules de magnésium et alliage de magnésium (AZ91D) ; Les caractérisations des dépôts avec des analyses de microstructure et des mesures de microdureté, d’adhérence et de comportement au frottement des revêtements;Les résultats montrent que la projection à froid peut être utilisée pour fabriquer des revêtements de magnésium purs ou composites sans aucune oxydation ou transformation de phase. La taille de ces particules doit rester dans une fourchette acceptable pour égaler la vitesse critique (entre 653 m•s-1 et 677 m•s-1) permettant la déposition. Concernant plus spécifiquement les résultats sur les revêtements de magnésium pur, le maximum de rendement de dépôt est obtenu par projection d’une poudre de granulométrie comprise entre 22 μm et 64 μm. L’adhérence atteint 11.6 ± 0.5 MPa lorsque le substrat est préchauffé à 200 oC. Pour le cas des revêtements AZ91D, la construction du dépôt s’effectue par effet de verrouillage mécanique. Le type de frottement observé sur ces revêtements est une usure adhésive. Dans les revêtements composites d’AZ91D – SiC, la teneur en particules de renforcement SiC présentes dans le dépôt diminue avec leur taille dû à l'effet «onde de choc». Le rendement de dépôt augmente avec la teneur en SiC de 15 vol.% à 30 vol.%, puis diminue au-delà de 30 vol%. Le type de frottement correspond à une usure par abrasion. / Cold spraying has shown unique advantages in preparing coatings of metal, composite and ceramic. However, the deposition mechanism of magnesium and magnesium-based composite coatings fabricated using cold spraying was not researched although magnesium and metallic matrix composites based magnesium have drawn more and more attention due to their excellent specific strength. Therefore, the deposition mechanism of magnesium and magnesium-based composite coating has been studied in this study. The research carried out in this study involves several fields:Effect of the particle velocity of magnesium particles on the deposition efficiency, microstructure, microhardness and bonding strength of coatings; Effect of the particle size of magnesium particles on the deposition efficiency and microstructure of coatings;Effect of the substrate preheating on the microstructure, microhardness and bonding strength of coatings;Effect of the particle velocity of magnesium alloy (AZ91D) particles on the deposition efficiency, microstructure, and frictional behavior of coatings;Effect of the particle size of strengthening phrase (SiC) on the microstructure, bonding strength and frictional behavior of coatings;Effect of the particle content (15 vol.% - 60 vol.%) of strengthening phrase (SiC) on the microstructure, bonding strength and frictional behavior of coatings.The results show that cold spraying can be used to fabricate magnesium and magnesium-based coatings without any oxidation or phase transformation. The critical velocity of magnesium particles is 653 m•s-1- 677 m•s-1. Magnesium particles with a size too large or too small are not suitable to the deposition. The maximum of deposition efficiency of magnesium particles are obtained using the powder with a size range of 22-64 μm. The maximum of bonding strength between magnesium coatings and substrates is 11.6 ± 0.5 MPa as the substrate is preheated at 200oC. The deposition of AZ91D coatings is due to the effect of mechanical interlocking. And the friction type of AZ91D coatings is adhesive wear. The friction type of AZ91D – SiC composite coatings turn to be abrasive wear. The SiC content in composite coatings decreases as the SiC particle size decreases due to the effect of bow shock. The deposition efficiency of AZ91D and SiC mixed powder increases as the SiC content increases from 15 vol.% to 30 vol.%, and then decreases as the SiC content increases from 30 vol% to 60 vol.%.

Les composites unidirectionnels SiC/Ti sont des candidats potentiels au développement de nouveaux moteurs aéronautiques, ils allient à la fois résistance spécifique élevée, stabilité dimensionnelle et rigidité. Le matériau étudié ici est un alliage Ti 6242 renforcé par des fibres en carbure de silicium SM 1140+.<br />Des essais de fatigue mécano-thermique ont été menés sur le composite suivant des cycles simulant le chargement supporté au cours d'un vol. Une réduction importante de la durée de vie du composite par rapport à une sollicitation isotherme a été mise en évidence. Des modèles de prévision de la durée de vie en fatigue du composite ont été mis en place à l'aide de simulations aux éléments finis.<br />Des essais de propagation de fissure par fatigue ont été conduits sur le composite SM 1140+/Ti 6242. Les résultats ont mis en évidence un régime stabilisé : la vitesse de fissuration est constante et indépendante de la taille de la fissure. Ce résultat est associé à des conditions particulières de propagation. En effet, des observations ont montré que pour l'ensemble des essais, la fissure a contourné les fibres sans les rompre : on est donc en régime de pontage de la fissure par les fibres. Des observations ont d'autre part révélé une consommation de l'interphase en carbone des fibres présentes dans le chemin de fissuration.<br />Un modèle a été mis en place pour prédire les vitesses de fissuration stabilisées mesurées expérimentalement sur le composite SM 1140+/Ti 6242. Cette modélisation est basée sur des résultats d'essais de fissuration obtenus sur la matrice seule et sur des simulations aux éléments finis d'éprouvettes entaillées. Les résultats obtenus permettent d'avoir accès aux cinétiques de propagation dans le composite en régime de pontage.

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.

L'étude a pour objectif l'amélioration de la fiabilité des assemblages électroniques à travers la mise en œuvre de drains composites aluminium/fibres de carbone. Le travail a consisté à 1) modéliser, par la méthode des éléments finis, l'influence des propriétés thermiques et mécaniques du matériau de semelle sur l'assemblage életronique ; 2) élaborer (par frittage sous charge uniaxiale, frittage flash et extrusion à chaud) des matériaux composites aluminium/fibres de carbone ; et 3) lier les microstructures observées aux paramètres des procédés d'élaboration ainsi qu'aux propriétés thermiques et mécaniques mesurées.