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L'objectif de cette étude est de déterminer la tenue du composite SCS-6/Ti6242, alliage de titane avec un renfort unidirectionnel de fibres SiC, pour des applications à température moyenne notamment pour des pièces critiques de moteurs aéronautiques, sous sollicitations thermiques et mécaniques combinées. Les conditions de chargement en service sont simulées en laboratoire par des essais de fatigue mécano-thermique, réalisés dans la plage de températures 100°C - 450°C, en contrainte imposée, sous un rapport de charge nul. Les observations des faciès de rupture réalisées par microscopie optique et électronique à balayage ont montré l'existence de deux mécanismes d'endommagement : la rupture des fibres comme en rupture monotone et la fissuration de la matrice par fatigue. Une analyse par éléments finis a été mise en place pour étudier le comportement mécanique du composite, à partir d'une méthode d'homogénéisation et du comportement de ses constituants. Les calculs montrent l'importance de la redistribution des contraintes entre les fibres et la matrice. Les résultats sont utilisés pour expliquer les mécanismes d'endommagement observés et les conséquences sur la prévision des durées de vie en fatigue anisotherme. La croissance de fissures longues en conditions anisotherme et isotherme a fait l'objet d'une étude expérimentale. Une analyse de mécanique de la rupture recourant à une méthode de zone cohésive a permis de rationaliser les vitesses fissuration observées.

La mise ne oeuvre par voie liquide de matériaux composites à matrice d'alliage de titane renforcés par des filaments de carbure de silicium conduit, malgré la rapidité du procédé utilisé pour enduire les filaments par l'alliage liquide, à d'importantes interactions physico-chimiques au niveau des interfaces formées.<br />Ces interactions entre le revêtement de carbone des filaments et le titane liquide contrôlent en particulier la cinétique de mouillage du filament et les transferts de carbone du filament vers la matrice.<br />Des modèles, confirmés par des observations et analyses microscopiques, ont permis de comprendre les mécanismes mis en jeu au cours du procédé d'élaboration et en particulier de la solidifications. <br />Il est apparu que le dépôt par voie chimique réactive de carbure de titane sur le revêtement de carbone du filament de carbure de silicium était un moyen efficace pour favoriser le mouillage du filament par l'alliage de titane liquide et pour contrôler non seulement les transferts de carbone mais aussi les conditions d'obtention de composites filamentaires correspondant aux spécifications attendues.

Les travaux réalisés dans cette thèse visent d’une part, à comprendre les évolutions structurales et microstructurales d’un composite à matrice titane et à renforts TiB au cours des différentes étapes d’élaboration par métallurgie des poudres et des traitements thermiques associés, et d’autre part, à établir des relations entre microstructures et propriétés mécaniques pour ce matériau. Les cinétiques de transformations des phases de la matrice et du renfort ont été caractérisées par DRX haute énergie in situ, au cours des différents traitements du cycle de fabrication. Des analyses de la microstructure par MEB, MEB EBSD et MET (EDX et EELS) complètent l’analyse par DRX. Il a été montré que les cinétiques de transformation de la matrice des composites sont fortement affectées (décalage d’environ 300°C vers les hautes températures de la température de transus ß) par le procédé de fabrication. Ce décalage a été associé à un enrichissement en éléments interstitiels dû au broyage mécanique des poudres et aux interstitiels présents dans les renforts TiB2 introduits pour former le TiB. L’étude in situ a aussi précisé la séquence de transformation du diborure de titane en borure TiB–B27 via la formation de la phase métastable TiB-Bf. Les analyses par MEB et MET ont permis d’atteindre et de discuter des évolutions morphologiques et spatiales des phases (matrice et borures) au cours des différents traitements, et de caractériser la composition chimique des borures. Une séquence de transformation du renfort est proposée. Enfin, des matériaux composites ont été élaborés et soumis à divers traitements thermomécaniques. Le lien entre les propriétés mécaniques statiques et les évolutions morphologiques des borures et de la matrice, comme de la texture des phases, a été abordé. Des traitements ont été proposés pour atteindre des propriétés optimales / The work done in this PhD thesis aims at the understanding of, on the one hand, the structural and microstructural evolutions of a TiB reinforced titanium matrix composite during the various steps and treatments of the powder metallurgy route used to produce it, and, on the other hand, the link between the microstructures and the mechanical properties for this material. The phase transformation kinetics, in the matrix and in the reinforcement, were characterised using in situ high energy XRD, during these treatments. Microstructural analysis, using SEM, SEM-EBSD and TEM (EDX and EELS) complete the XRD analysis. The matrix phase transformation kinetics were shown to be highly impacted by the processing route (a 300°C shift toward the high temperatures is found for the ß transus temperature). This shift has been linked with an increase in interstitial elements, coming from the powder mechanical alloying and from the interstitials in the TiB2 powder used to produce the TiB. The in situ study also helped in clarifying the transformation sequence of the TiB2 into TiB-27, via the formation of the metastable phase TiB-Bf. SEM and TEM analysis allowed to get access to and discuss the morphological and spatial evolutions of the phases (matrix and borides) during the various treatments and to characterise the chemical composition of the borides. A transformation sequence has been proposed. Finally, in a last part, composite materials were elaborated and submitted to defined heat treatments. The link between the static mechanical properties and the morphological and texture evolutions in the matrix and in the borides, was discussed. Some treatments were proposed to reach optimum mechanical properties

Les propriétés spécifiques du titane en font un matériau de choix pour remplacer l’acier dans des applications où le poids est un paramètre de conception important. cependant, contrairement à l’acier, le titane souffre de mauvaises propriétés tribologiques. c’est pour répondre à cette problématique qu’il est envisagé de développer des composites à matrice métallique (cmm) titane renforcée par des particules de carbure de titane. dans le cadre de ce projet, plusieurs nuances de cmm à matrice ti ou ti-6al-4v contenants différentes fractions volumiques de particules de tic ont été élaborées par métallurgie des poudres. trois procédés ont été employés : le frittage libre, la compression isostatique à chaud et le filage. les différentes nuances ont ensuite été caractérisées du point de vue microstructurale (taux de densification, taille des grains) et mécanique (traction). la confrontation des résultats a permis d’établir un lien entre microstructure et propriétés mécaniques. dans l’optique d’étudier la mise en forme mais également d’améliorer les propriétés mécaniques, un post-traitement de type forgeage a été appliqué à la suite de la phase d’élaboration. excepté dans le cas des cmm filés, la présence de renforts entraîne l’apparition d’endommagement lors de la déformation à chaud. nous avons alors déterminé les conditions de forgeage les plus adaptées selon les nuances.finalement, à travers un travail de modélisation analytique et de simulation numérique par méthode d’homogénéisation, nous avons déterminé les grandeurs mécaniques (module de young et limite d’élasticité) et prévu la loi de comportement des cmm en traction. / The specific properties of titanium make it a key material for the replacement of steel in weight dependent applications. however, unlike steel, titanium suffers from poor wear resistance. in order to improve this weakness, it is proposed to develop titanium metal matrix composites (mmc) reinforced with titanium carbide particles.to this end, ti and ti-6al-4v mmc were prepared with reinforcement fractions ranging from 5 percent to 20 percent using three powder metallurgy techniques: free sintering, hot isostatic compression and extrusion. the composites were then characterized from a microstructural (density, grain size) and a mechanical (tensile test) point of view. by comparing the results, it was possible to establish a relationship between microstructural features and mechanical properties.following their preparation, the composites were subjected to a forging step in order to study their behavior during hot deformation and to further improve their mechanical properties. the presence of particles induces the apparition of damage during hot deformation. therefore, we determined the best forging for the different composites whilst taking microstructure into account.finally, through analytical modeling and numerical simulations, we determined the young modulus, the yield stress and predicted the behavior of a mmc during a tensile test.