Fundamental understanding of atmospheric corrosion mechanisms requires an in-depth understanding on the dynamic interaction between corrosive constituents and metal/alloy surfaces. This doctoral study comprises field and laboratory investigations that assess atmospheric corrosion and metal release processes for two different groups of alloys exposed in chloride-rich environments. These groups comprise two commercial Zn-Al alloy coatings on steel, Galfan™ (Zn5Al) and Galvalume™ (Zn55Al), and four copper-based alloys (Cu4Sn, Cu15Zn, Cu40Zn and Cu5Zn5Al). In-depth laboratory investigations were conducted to assess the role of chloride deposition and alloy microstructure on the initial corrosion mechanisms and subsequent corrosion product formation. Comparisons were made with long-term field exposures at unsheltered marine conditions in Brest, France. A multitude of surface sensitive and non-destructive analytical methods were adopted for detailed in-situ and ex-situ analysis to assess corrosion product evolution scenarios for the Zn-Al and the Cu-based alloys. Scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy (SEM/EDS) were employed for morphological investigations and scanning Kelvin probe force microscopy (SKPFM) for nobility distribution measurements and to gain microstructural information. SEM/EDS, infrared reflection-absorption spectroscopy (IRAS), confocal Raman micro-spectroscopy (CRM) and grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD) were utilized to gain information on corrosion product formation and possibly their lateral distribution upon field and laboratory exposures. The multi-analytical approach enabled the exploration of the interplay between the microstructure and corrosion initiation and corrosion product evolution. A clear influence of the microstructure on the initial corrosion product formation was preferentially observed in the zinc-rich phase for both the Zn-Al and the Cu-Zn alloys, processes being triggered by microgalvanic effects. Similar corrosion products were identified upon laboratory exposures with chlorides for both the Zn-Al and the Cu-based alloys as observed after short and long term marine exposures at field conditions. For the Zn-Al alloys the sequence includes the initial formation of ZnO, ZnAl2O4 and/or Al2O3 and subsequent formation of Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O, and Zn2Al(OH)6Cl·2H2O and/or Zn5(OH)8Cl2·H2O. The patina of Cu sheet consists of two main layers with Cu2O predominating in the inner layer and Cu2(OH)3Cl in the outer layer, and with a discontinuous presence of CuCl in-between. Additional patina constituents of the Cu-based alloys include SnO2, Zn5(OH)6(CO3)2, Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O and Al2O3. General scenarios for the evolution of corrosion products are proposed as well as a corrosion product flaking mechanism for some of the Cu-based alloys upon exposure in chloride-rich atmospheres. The tendency for corrosion product flaking was considerably more pronounced on Cu sheet and Cu4Sn compared with Cu15Zn and Cu5Al5Zn. This difference is explained by the initial formation of zinc- and zinc-aluminum hydroxycarbonates Zn5(OH)6(CO3)2 and Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O on Cu15Zn and Cu5Al5Zn, corrosion products that delay the formation of CuCl, a precursor of Cu2(OH)3Cl. As a result, the observed volume expansion during transformation of CuCl to Cu2(OH)3Cl, and the concomitant flaking process of corrosion products, was less severe on Cu15Zn and Cu5Al5Zn compared with Cu and Cu4Sn in chloride-rich environments. The results confirm the barrier effect of poorly soluble zinc and zinc-aluminum hydroxycarbonates Zn5(OH)6(CO3)2 and Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O, which results in a reduced interaction between chlorides and surfaces of Cu-based alloys, and thereby reduced formation rates of easily flaked off corrosion products. From this process also follows reduced metal release rates from the Zn-Al alloys. / Bättre molekylär förståelse för metallers atmosfäriska korrosion kräver en fördjupad kunskap i det dynamiska samspelet mellan atmosfärens korrosiva beståndsdelar och metallytan. Denna doktorsavhandling omfattar laboratorie- och fältundersökningar av korrosions- och metallfrigöringsprocesser av två grupper av legeringar som exponerats i kloridrika atmosfärsmiljöer: två kommersiella Zn-Al beläggningar på stål, Galfan™ (Zn med 5% Al, förkortat Zn5Al) och Galvalume™ (Zn55Al), samt fyra kopparbaserade legeringar (Cu4Sn, Cu15Zn, Cu40Zn och Cu5Zn5Al). Undersökningar har genomförts i renodlade laboratorie-miljöer med för-deponerade NaCl-partiklar i en atmosfär av varierande relativ fuktighet. Syftet har varit att utvärdera betydelsen av kloriders deposition och legeringarnas mikrostruktur på korrosionsmekanismen samt bildandet av korrosionsprodukter. Jämförelser av korrosionsmekanismer har även gjorts efter flerårsexponeringar av samma legeringar i en marin fältmiljö i Brest, Frankrike. Undersökningarna har baserats på ett brett spektrum av analysmetoder för detaljerade studier dels under pågående atmosfärisk korrosion (in-situ), och dels efter avslutad korrosion (ex-situ). Legeringarnas mikrostruktur och tillhörande variation i ädelhet hos olika faser har undersökts med svepelektronmikroskopi och energidispersiv röntgenmikroanalys (SEM/EDS) samt med en variant av atomkraftsmikroskopi (engelska: scanning Kelvin probe force microscopy, SKPFM). Korrosionsprodukternas tillväxt har analyserats in-situ med infraröd reflektions-absorptionsspektroskopi (IRAS), samt morfologi och sammansättning av bildade korrosionsprodukter ex-situ med SEM/EDS, konfokal Raman mikro-spektroskopi (CRM) samt röntgendiffraktion vid strykande ifall (GIXRD). Det multi-analytiska tillvägagångssättet har medfört att det komplexa samspelet mellan de skilda legeringarnas mikrostruktur, korrosionsinitiering och bildandet av korrosionsprodukter kunnat studeras i detalj. En tydlig påverkan av mikrostruktur på det initiala korrosionsförloppet har kunnat påvisas. Korrosionsinitieringen sker företrädesvis i mer zinkrika faser för såväl Zn-Al- som Cu-Zn-legeringar och orsakas av mikro-galvaniska effekter mellan de mer zinkrika, mindre ädla, faserna och omgivande faser. Deponerade NaCl-partiklar påskyndar den lokala korrosionen oberoende av mikrostruktur. Snarlika sekvenser av korrosionsprodukter har kunnat påvisas såväl efter laboratorie- som fältexponeringar. För Zn-Al-legeringar bildas först ZnO, ZnAl2O4 och/eller Al2O3, därefter Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O och Zn2Al(OH)6Cl·2H2O och/eller Zn5(OH)8Cl2·H2O. På ren koppar bildas ett inre skikt dominerat av Cu2O, ett mellanskikt av CuCl och ett yttre skikt med i huvudsak Cu2(OH)3Cl. Beroende på legeringstillsats har även SnO2 och Zn5(OH)6(CO3)2 kunnat identifieras. En mekanism för flagning av korrosionsprodukter på kopparbaserade legeringar i kloridrika atmosfärer har utvecklats. Tendensen för flagning har visat sig vara mycket mer uttalad på ren Cu och Cu4Sn än på Cu15Zn och Cu5Al5Zn. Skillnaden kan förklaras med hjälp av det tidiga bildandet av Zn5(OH)6(CO3)2 och Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O på Cu15Zn och Cu5Al5Zn som fördröjer bildandet av CuCl, en föregångare till Cu2(OH)3Cl. Därigenom hämmas även den observerade volymexpansionen som sker när CuCl omvandlas till Cu2(OH)3Cl, en process som visar sig vara den egentliga orsaken till att korrosionsprodukterna flagar. Resultaten bekräftar barriäreffekten hos de mer svårlösliga faserna Zn5(OH)6(CO3)2 och Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O, vilken dels resulterar i en minskad växelverkan mellan klorider och de legeringsytor där dessa faser kan bildas, och dels i en reducerad metallfrigöringshastighet. / <p>QC 20140915</p> / Autocorr, RFSR-CT-2009-00015 Corrosion of heterogeneous metal-metal assemblies in the automotive industry / Atmospheric corrosion and environmental metal dispersion from outdoor construction materials

Valoriser l'énergie perdue sous forme de chaleur par les moteurs thermiques en électricité via desgénérateurs thermoélectriques permettrai de diminuer l'empreinte carbone des transports routiers. Unesélection des matériaux basée sur des critères de performance, de coût et de développement durable aconduit au choix du siliciure de manganèse MnSi (semi-conducteur de type p). En s'appuyant sur uneapproche couplant la métallurgie et la chimie du solide, ce travail revisite l'état de l'art sur ces alliageset révèle les relations entre la structure (inco/commensurabilité), la microstructure et le procédé. Unemeilleure compréhension de ces liens a permis d'acquérir un contrôle plus précis des microstructures,et par conséquent d'optimiser les propriétés thermoélectriques, et a conduit à la mise au point d'unenouvelle voie de synthèse pour MnSi. De plus, la production de matériaux purs et texturés a permisde mettre en évidence l'isotropie des propriétés de transport de la phase MnSi. Enfin, cette étudesuggère une relation entre la texture des joints de grains et la ségrégation dans des alliages dopés,ouvrant de nouvelles perspectives pour améliorer les propriétés thermoélectriques. / Generating electricity from waste heat by means of thermoelectric generators may represent a very interestingopportunity to significantly reduce the impact of road transportation. In this context, HigherManganese Silicide (HMS) based alloys are studied as p-type semiconductors to achieve a sustainablescale-up of this technology. Through a strategy coupling metallurgy and solid state chemistry, thiswork revisits the knowledge on HMS and reveals the relationship between the phases, the microstructureand the manufacturing process. This systematic study has lead to the establishment of designguidance to maximize the performance and thus, to a new synthesis route. In addition, the productionof grain oriented and highly pure HMS materials evidences the isotropy of the transport properties ofHMS. Finally, this study suggests a relationship between grain boundary texture and segregation indoped-HMS, opening new directions for enhancing thermoelectric properties.

Lors de la dernière décennie, l’hydrure de magnésium est apparu comme le candidat le plus intéressant pour le stockage solide de l’hydrogène à grande échelle. La présente étude s’est intéressée au gonflement irréversible de composites à base d’hydrure de magnésium durant les cycles d’hydruration/déshydruration ainsi qu’à l’évolution de leurs propriétés mécaniques.Les expériences de dilatométrie in-situ et les caractérisations microstructurales (MEB,granulométrie), menées sur des échantillons de MgH₂co-broyés avec des additifs devanadium ou Ti-V-Cr ont montré que la coalescence des particules nanométriques favorise la formation de larges agglomérats qui induisent une augmentation de la porosité et qui expliquent le gonflement irréversible des composites.Les tests de nano-indentation ont montré une augmentation du module de Young de plus de 30 % après 10 cycles d’hydruration/déshydruration. Les mesures de la dureté Vickers sur des pastilles de MgH2 sans additif ont permis d’estimer sa dureté en fonction de la densité relative. Ainsi la dureté d’une pastille qui aurait une densité proche de la densitéthéorique (95 %) a été extrapolée à 0.58 GPa. / The last decade the magnesium hydride stood out as the most attractive candidatefor solid storage of hydrogen at large scale. The main subject of this study is thephenomenon of irreversible swelling of the composites based on magnesium hydride, duringthe hydriding/dehydriding cycles as well as the evolution of their mechanical properties.In-situ dilatometry measurements and the microstructural characterizations (SEM,granulometry) were performed on magnesium hydride samples co-milled with vanadium orTi-V-Cr additive. The results reveal that the coalescence of nanometric particles tends tocreate large agglomerates, which induce an increase in porosity, and explain the progressiveswelling of composites.The nanoindentation tests performed on compacted pellets show an enhancement ofabout 30 % of the Young modulus after 10 cycles. From the Vickers hardness measured oncompacted powders, the hardness of a highly densified magnesium hydride wasextrapolated to 0.58 GPa, which shows that the magnesium hydride is harder thanmagnesium.

Le matériau La_2 Mo_1,5 W_0,5 O_9 (LMW05) est un conducteur ionique de la famille LAMOX qui a récemment connu un grand potentiel en tant qu’électrolyte solide dans des systèmes électrochimiques haute température. L’objectif de cette thèse est double : d’une part, étudier les effets de certains paramètres microstructuraux, essentiellement la porosité, sur les propriétés électriques des échantillons céramiques de LMW05 et, d’autre part, appliquer le procédé de frittage flash pour la préparation d’échantillons denses.Les échantillons poreux ont été préparés par frittage à des températures comprises entre 750 °C et 1100 °C. La spectroscopie d’impédance complexe a été systématiquement utilisée pour évaluer l’influence de la porosité sur les propriétés électriques de LMW05. La réponse électrique, observée à haute fréquence (HF) sur les diagrammes d’impédance, est très affectée par la porosité. Elle dépend de la morphologie et de la localisation des pores. Les théories du milieu effectif ont été employées pour l’interprétation des résultats obtenus. L’approximation de Bruggeman s’est révélée la plus appropriée pour décrire la réponse électrique haute fréquence pour 0 < P ≤ 22%. En comparaison avec des céramiques de type YSZ, les échantillons poreux de LMW05 présentent une faible valeur du facteur de blocage α_R. Cette dernière est, en fait, liée à la morphologie des pores qui sont de forme sphérique et de grande taille. La mise en contact de deux pastilles denses a permis de simuler le contact entre deux grains de LMW05.Le procédé de frittage flash a été testé avec succès pour la préparation des échantillons de LMW05. Une attention particulière a été portée à l’optimisation des conditions de déclenchement du flash de courant. Nous avons montré que les échantillons frittés de LMW05 présentent le même comportement électrique indépendamment du procédé de frittage employé. / The La_2 Mo_1,5 W_0,5 O_9 (LMW05) material is an ionic conductor of the LAMOX family which has recently shown a great potential as a solid electrolyte in high temperature electrochemical systems. The aim of this thesis is double: firstly, to study the effects of certain microstructural parameters, essentially the porosity, on the electrical response of LMW05 ceramic samples and, on the other hand, to apply the flash sintering process for the preparation of dense samples. Porous samples were obtained by varying the sintering temperature in the range of 750 to 1100 °C. Complex impedance spectroscopy was systematically used to evaluate the effect of porosity on the electrical response of LMW05. The electrical response, observed at high frequency (HF) on the impedance diagrams, is greatly affected by the porosity. It depends on the morphology and the location of pores. Effective medium theories were used for the interpretation of obtained results. The Bruggeman approximation proved to be better suited to describe the high frequency electrical response for 0 < P ≤ 22%. Compared with YSZ-type ceramics, the porous LMW05 was found to have a low blocking factor α_R. This low value is related to the morphology of the pores which are spherical in shape and large in size. The contacting of two dense pellets allowed us to simulate the contact between two grains of LMW05.The flash sintering process has been successfully tested for the preparation of LMW05 samples. Particular attention is paid to optimizing the conditions of the flash sintering onset. We have shown that the sintered LMW05 samples exhibit the same electrical behavior independently to the employed sintering process.

Le processus de l’hydratation de ciment et la microstructure qui en résulte, dépendent de la formulation de la pâte et des conditions d’hydratation. Parmi différents facteurs, la température d’hydratation a un effet important sur la microstructure et les propriétés physiques et mécaniques des matériaux cimentaires. Ceci est particulièrement important pour l’étude du comportement des ciments pétroliers. En effet, dans un puits pétrolier, une gaine de ciment est coulée entre la roche réservoir et le cuvelage en acier pour assurer entre autre la stabilité et l’étanchéité du puits. En raison du gradient géothermique (environ 25°C par km), la gaine de ciment le long d'un puits est exposée à une température d'hydratation qui augmente avec la profondeur menant à une augmentation de perméabilité et une baisse de propriétés mécaniques le long du puits. L'objectif cette thèse est d'étudier l'effet de la température d'hydratation dans la gamme de 7°C à 90°C sur la microstructure d'une pâte de ciment (classe G) et d'établir le lien entre les modifications microstructurales et les propriétés élastiques du matériau. La caractérisation de la microstructure est faite en considérant une combinaison de plusieurs méthodes expérimentales, à savoir, la diffraction des rayons X & l’analyse Rietveld, l'analyse thermogravimétrique, porosimétrie par l'intrusion de mercure, l'évaluation de la porosité par lyophilisation ou par séchage à 11% HR, essais de sorption au Nitrogène et à la vapeur d'eau et finalement, la résonance magnétique nucléaire 1H. L’assemblage de masse des différentes phases de la microstructure a été évalué montrant une légère dépendance à la température d’hydratation. L’étude de la porosité a montré une augmentation de la porosité capillaire et une légère diminution de la porosité totale à 28 jours d’hydratation, ce qui résulte en une diminution de la porosité du gel de C-S-H en augmentant la température d'hydratation. Une méthode d'analyse a été proposée pour évaluer la densité saturée de C-S-H et sa composition chimique en termes des rapports molaires C/S et H/S pour un C-S-H sec et saturé. Les résultats montrent que la densité de C-S-H augmente avec la température d'hydratation expliquant ainsi l'augmentation observée de la porosité capillaire à températures élevées. Les rapports C/S et H/S diminuent avec l’augmentation de la température d’hydratation. La caractérisation de la microstructure a permis d’alimenter un modèle micromécanique destiné à prédire les propriétés élastiques de la pâte de ciment pour différentes températures d’hydratation. Des modèles d’homogénéisation auto-cohérents à deux et trois échelles ont montré que l’augmentation de la porosité capillaire ne suffit pas pour expliquer la baisse des propriétés mécaniques avec la température. En effet, l’augmentation de la densité de C-S-H avec la température d’hydratation annule l’effet de l’augmentation de la porosité capillaire sur les propriétés élastiques. La réduction des propriétés mécaniques pourrait être expliquée en considérant une distribution de porosité au sein de C-S-H sous forme de C-S-H basse densité LD et haute densité HD telle que proposée par Tennis et Jennings (2000). Cette possibilité est investiguée par une combinaison de techniques de porosimétrie : porosimétrie par l'intrusion de mercure, adsorption d'azote et désorption de vapeur d'eau et par un calcul inverse à l’aide de la modélisation micromécanique. Les résultats montrent que la porosité intrinsèque LD augmente légèrement tandis que la porosité intrinsèque HD diminue de manière significative avec l'augmentation de la température d'hydratation. La diminution des propriétés élastiques des matériaux cimentaires avec l’augmentation de la température d'hydratation s’avère être due à l’action combinée de l'augmentation de la porosité capillaire et des changements de porosités intrinsèques à l’intérieure de C-S-H / The cement hydration process and the resulting microstructure are highly dependent on the cement formulation and the hydration conditions. Particularly, the hydration temperature has a significant influence on the cement paste microstructure and its mechanical properties. This is for instance important for understanding the behaviour and properties of oil-well cements which are used to form a cement sheath between the casing and the surrounding formation for stability and sealing purposes. This cement sheath is hydrated under a progressively increasing temperature along the depth of a well due to the geothermal gradient (about 25°C/km). It results generally in a decrease of the mechanical properties and an increase of permeability along the well. The aim of the present thesis is to investigate the effect of the hydration temperature in the range of 7°C to 90°C on the microstructure of a class G cement paste and to establish the link between these temperature dependent microstructure and the elastic properties of the material. The microstructure characterization is done by combining various experimental methods, including X-Ray diffraction associated with the Rietveld analysis, thermogravimetric analysis, mercury intrusion porosimetry, porosity evaluation by freeze-drying or drying at 11% RH, Nitrogen and water vapour sorption experiments and finally 1H nuclear magnetic resonance. The mass assemblage of microstructure phases at different curing temperatures has been evaluated and showed a slight dependence on the hydration temperature. The porosity evaluations show an increase of the capillary porosity and a slight decrease of the total porosity at 28 days, resulting in a decrease of the gel porosity by increasing the hydration temperature. An analysis method has been proposed to evaluate the C-S-H saturated density and chemical composition in terms of H/S and C/S molar ratios. The C-S-H bulk density is increasing with increasing hydration temperature which explains the observed increase of the capillary porosity for higher curing temperatures. The C/S ratio and H/S ratio for both solid and saturated C-S-H are decreasing with increasing curing temperature. The provided quantitative characterization of cement paste microstructure is used in a micromechanical modelling for evaluation of the elastic properties at various hydration temperatures. Two and three-scale self-consistent micromechanical models have shown that the increase of capillary porosity with increasing hydration temperature cannot fully explain the drop of elastic properties. This is mainly due to the increased elastic properties of C-S-H being denser at higher temperature that cancel the effect of increasing capillary porosity on the overall elastic properties. Another way to fully account for the decrease of the mechanical properties of cement paste is to consider the porosity distribution inside the C-S-H in the form of two distinguished C-S-H types, High Density (HD) and Low Density (LD) C-S-H, as proposed by Tennis and Jennings (2000). This possibility is probed by a combination of various porosity evaluations: Mercury intrusion porosimetry, nitrogen adsorption and water vapour desorption and by a back calculation using micromechanical modelling. The results show that the LD intrinsic porosity is slightly increasing while the HD intrinsic porosity decreases significantly with increasing hydration temperature. The decrease of the elastic properties of cement based materials with increasing hydration temperature is therefore a combined action of the increase of capillary porosity and the changes of intrinsic C-S-H porosities

Ce travail vise à mettre en relation les caractéristiques de la zone d’interphase « granulat-pâte de ciment » avec les caractéristiques de porosité, d’absorption d’eau, de dureté et de rugosité de calcaires poreux.La première partie de ce travail a consisté à étudier l’influence de la teneur en eau et de la dureté des granulats sur la résistance mécanique de mortiers. Les résultats montrent que, pour des calcaires poreux et absorbants, les mortiers fabriqués à partir de granulats à l’état sec sont plus résistants que ceux fabriqués à partir de granulats à l’état sursaturé. La deuxième partie de ce travail a consisté à étudier l’adhésion « roche-pâte de ciment ». Il a été constaté que la rugosité et l’état de saturation de la roche affectent significativement les résistances en traction et au cisaillement des composites.La dernière partie est consacrée à l’étude de la microstructure de la zone d'interphase par la technique d’analyse d’images. L’évolution de la porosité moyenne de la zone d'interphase est liée aux propriétés mécaniques des mortiers par la relation de Féret démontrant ainsi que la résistance à la compression dépend principalement de la mésoporosité de l’interphase. Le gradient de porosité est mis en relation avec le gradient de degré d’hydratation et le gradient de rapport E/C. Ces deux derniers sont calculés en appliquant le modèle de Powers. Les résultats obtenus montrent que pour des calcaires poreux et absorbants, la pâte de ciment et la zone d’interphase des mortiers de granulats secs et de granulats sursaturés ne sont pas équivalentes alors qu’initialement on visait le même rapport E/C. / The aim of this study was to relate the characteristics of interfacial transition zone (ITZ) "aggregate-cement paste" to the characteristics of porosity, water absorption, resistance and roughness of porous limestones.The first part of this work was to study the influence of moisture content and resistance of aggregates on the mechanical strength of mortars. The results show that, for porous and absorbent limestones, mortars made from dry aggregates are more resistant than those made from wet aggregates.The second part of this work was to study the ITZ of composites “rock-cement paste”. It was found that the surface roughness and the moisture content of rocks significantly affect the tensile and shear strengths of composites.The last part is devoted to the microstructure of ITZ by image analysis. The evolution of average porosity of ITZ is related to the mechanical properties of mortars by Féret’s law demonstrating that the compressive strength depends mainly on the mesoporosity of ITZ. The porosity gradient is related to the degree of hydration gradient and the W/C ratio gradient. These latter two are calculated by applying Powers’ model. The results show that for porous and absorbent limestones, the cement pastes and the ITZs of dry and wet aggregates mortars are not equivalent although initially we aimed to the same W/C ratio.

Les composites à matrices céramique (CMC) en raison de leur stabilité à haute température et de leurs propriétés mécaniques sont des matériaux de choix pour remplacer les superalliages à base de nickel au niveau des pièces de turbines. Cependant, les CMC qui sont constitués de carbure de silicium sont sensibles aux espèces oxydantes et corrosives telles que l’eau et l’oxygène à haute température. Le CMC sous cet environnement sévère peut être dégradé chimiquement, s’accompagnant d’un affaiblissement de ses propriétés mécaniques. Pour protéger et augmenter la durée de vie du CMC, un revêtement protecteur (EBC) est déposé généralement par projection thermique. Les céramiques sélectionnées sont des silicates de terres rares. Elles doivent faire face à trois phénomènes majeures :(i) la diffusion des espèces ioniques au sein de la structure cristalline (ii) la réaction de l’eau avec le silicate en surface qui forme des espèces hydroxydes volatiles provoquant la récession du matériau et (iii) la dissolution par les sables présents dans l’atmosphère : les CMAS. Tout l’enjeu de ce travail est dans un premier temps de mettre en place une méthodologie fiable pour caractériser de manière précise et complète l’influence de la microstructure sur les propriétés du matériau. Une deuxième partie sur l’optimisation des performances du matériau a été mise en place en jouant sur l’architecture du revêtement et sa composition. / Ceramic matrix composites due to their high temperature stability and mechanical properties are materials of choice to replace nickel superalloys in turbine. However, CMC are made of silicon carbide which is sensitive to oxidizing and corrosive species such as water and oxygen at high temperature.CMC under this severe environment is chemically degraded and may see its mechanical properties reduced. It seems necessary to cover this CMC by a protective coating : environmental barriers (EBC).These EBCs made of rare earth silicates have to face three most phenomena: (i) diffusion of ionic species in the crystal structures of EBC (ii) the surface volatilization of the silicate induced by reactions with moisture (iii) dissolution by melted sands: CMAS. The aim of this work is to implement amethodology to characterize the influence of the microstructure on the properties of the material. A second part deal with the optimization of the performance of the materials by modifying the architecture of the coating and its composition.

Ce travail est une contribution à une étude de recherche et développent, proposée par Hydro Aluminium, dans le domaine des mécanismes d'endommagement de filières d'extrusion et. L'originalité du travail de thèse est basée sur le développement d'un alliage Inconel 718 optimisé pour l'application spécifique de filière d’extrusion, ce qui représente un saut technologique dans l'emploi de ce superalliage dans le domaine des outils. L'impact des paramètres du procédé d'extrusion, appelés paramètres extrinsèques, - tels que la vitesse d'extrusion, la longueur de billette, le chargement thermo-mécanique - sur le comportement mécanique du matériau a été analysé. Les cycles traction-compression sont simulés à l'aide d’essais isothermes de fatigue oligocyclique (LCF) qui donnent des informations sur les différents mécanismes d'endommagement survenant dans la filière. Du point de vue scientifique, la sollicitation de fatigue oligocyclique isotherme (LCF) est considérée comme la plus représentative des conditions thermomécaniques agissant sur l'outil. Les résultats montrent que la vitesse de déformation et de temps de maintien ont un impact significatif sur la durés de vie en fatigue. Le développent du matériau, enfin, a été atteint en modifiant les paramètres intrinsèques au matériau - tels que la taille des grains et la morphologie des précipités intermétalliques. Des traitements thermiques alternatifs, permettant d'adapter le matériau aux conditions spécifiques imposées par le procédé d'extrusion, ont été formulés. Des essais de fatigue LCF supplémentaires, ont permit de comparer la réponse cyclique de ces nouvelles nuances à celle du traitement original. Un de ces traitement, élaboré au travers d’une approche pluridisciplinaire incluant les aspects métallurgie, chimie et mécanique, a été retenu comme la nouvelle procédure standard pour le traitement des matrices d'extrusion en Inconel 718. / This present work is a contribution to an extensive development study, promoted by Hydro Aluminium, in the field of the damage mechanisms of extrusion dies. The originality of the present work is based on the development of an optimized Inconel 718 alloy as bulk material for extrusion die., which corresponds to a new application of this alloy in the field of tools: The investigation of the impact of the so called “Material Extrinsic Parameters”, such as extrusion speed, billet length and thermo-mechanical loading on the mechanical behaviour of the material is proposed. The cyclic tensile and compressive stresses, acting on the die, are simulated by isothermal Low Cycle Fatigue (LCF) tests. Results show that strain rate and holding time have a significant impact on fatigue life. These considerations represent the “Input Data” for the design of an optimized Inconel 718 in order to adapt the material to the specific conditions imposed by the extrusion process. This objective is achieved by modifying the “Material Intrinsic Parameters” such as grain size or precipitates morphology through the formulation of alternative thermal treatments. Additional LCF tests, are carried out to compare the cyclic response of the alternative Inconel 718 grades. One of this treatment, elaborated by a multidisciplinary approach including metallurgical, chemical and mechanical experiments that has been implemented in the industrial production practice as the new standard procedure for the thermal treatment of the Inconel 718 extrusion dies.

L'objectif du projet COMPTINN (COMPosites Tièdes INNovants) est d'obtenir des matériaux composites pouvant être utilisés sur de longues durées, à des températures comprises entre 150°C et 400°C, pour des applications structurales de l'aéronautique civile. Les travaux de thèse s'inscrivent dans un objectif de développement de matériaux thermostructuraux mis au point par un procédé industrialisable pour la production de pièces en série, respectueux de l'environnement et économiquement viable. Les procédés d'élaboration choisis sont ceux utilisés pour la mise en œuvre des CMO (Composites à Matrice Organique) thermodurcissables en moule fermé et par voie liquide. Les procédés les plus conventionnels ont été sélectionnés : l'injection par transfert de résine (RTM : Resin Transfer Molding) et l'infusion de résine sous vide (LRI : Liquid Resin Infusion). Les constituants des composites sont d'une part une matrice vitrocéramique, issue d'une résine dérivée d'un système géopolymérique, et d'autre part des renforts 2D et 3D en fibres de carbone. La viscosité d'une résine est la propriété principale qui conditionne sa mise en œuvre par les procédés d'élaboration par la voie liquide. La résine utilisée étant une suspension dont la viscosité est relativement élevée, la faisabilité de l'élaboration de composites par RTM ou LRI est a priori délicate. Une attention particulière a donc été portée à la rhéologie de la résine. Les résultats de cette étude ont permis d'optimiser d'importants paramètres procédés. L'étude s'est ensuite dirigée vers l'élaboration et la caractérisation des composites. L'impact du procédé de mise en œuvre sur la microstructure et sur les propriétés thermomécaniques des composites a été évalué. L'influence d'autres paramètres procédés, tels que le taux de dilution de la résine, la direction d'imprégnation du renfort et le différentiel de pression, a été étudiée. / This research work is part of the collaborative project COMPTINN (Innovative composite materials for intermediate temperature applications). This project aims at enabling the manufacturing of competitive structural composites able to bear up continuous thermal exposure, such as in aircraft parts located close to engines. A new class of glass-ceramic matrices for structural composites was developed to reach this goal. These new matrices come from an inorganic thermosetting polymer derived from a geopolymeric system. Prepreg process is currently used to manufacture composites but these composites would be more competitive if they are produced by an easy and cost effective process technology. Liquid molding (LRI or RTM) seems to be a convenient solution. Two kinds of reinforcements were considered: a layup of several two-dimensional woven fabric plies and a three-dimensional preform.The rheological behaviour of the considered inorganic polymer was firstly investigated. The best conditions were identified to obtain the lowest viscosity of the resin in order to help the production of structural composite parts by liquid molding.Then, the research work investigates how changes in the manufacturing process impact the mechanical properties of the composites. A microstructural characterization helps to link the mechanical behavior to the processing route. The effects of varying several processing parameters have been studied such as the dilution rate of the resin, the impregnation direction or the pressure differential.

Ce travail a été consacré à la caractérisation, l’optimisation et l’étude du comportement photochimique de couches actives de cellules photovoltaïques organiques. L’objectif était d’identifier les mécanismes de photovieillissement dans le but de proposer des stratégies pour améliorer la stabilité de cellules solaires organiques à base de Poly(3-hexylthiophène) (P3HT) et de [6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyl (PCBM). Le premier axe de travail a été consacré à l’étude de l’influence des paramètres structuraux du P3HT (masse molaire, régiorégularité, pureté …) sur sa stabilité photochimique dans un premier temps, puis sur l’optimisation des performances des cellules dans un second temps. Pour ce faire, quatre P3HT commerciaux différents ont été étudiés. Ils ont tout d’abord été caractérisés avec précision grâce à différentes techniques analytiques. La relation entre microstructure du P3HT et sa photostabilité a ensuite été étudiée, et les paramètres pertinents influençant la photodégradation identifiés. Le deuxième axe de travail a été consacré à la stabilité photochimique de mélanges P3HT:PCBM sur substrat inerte, puis sur des couches tampons. Dans une dernière partie, la dégradation de couches actives au sein de dispositifs complets a été effectuée en faisant « l’autopsie » de cellules vieillies. / This work was devoted to optimization, characterization and photochemical behavior of active layers of organic solar cells. The objective was to identify photo-ageing mechanisms in order to propose strategies to improve the stability of Poly (3-hexylthiophene) (P3HT)/[6,6]-phenyl-C61-butanoic acid methyl ester (PCBM) organic solar cells. The first axe of this work was devoted to the study of the influence of structural parameters of P3HT (molecular weight, regioregularity, purity …) firstly on its photochemical stability and secondly on the optimization of the performances of devices. In this goal, four different commercial P3HT were studied. They were first characterized accurately with different analytical techniques. The relationship between P3HT microstructure and photostability has been studied and relevant parameters influencing photodegradation have been identified. The second axe of this work was devoted to the photochemical stability of P3HT:PCBM blends on inert substrate, and then on buffer layers. Finally, the degradation of active layers in complete devices has been performed by making the “autopsy” of degraded solar cells.