Cette étude a pour objectif d’optimiser la durée de vie du corps broyant du broyeur Horomill® développé par la société Fives FCB. La pièce maîtresse qui assure le broyage par compression est la frette qui est constituée d’un rechargement dur déposé par soudage sur un acier type P355NH. La frette après rechargement est assemblée par frettage sur un arbre. Ces deux opérations introduisent des champs de contraintes résiduelles qui s’ajoutent aux contraintes cycliques de service. Ces sollicitations complexes peuvent induire des endommagements de type fatigue/usure/abrasion. Dans ce travail on aborde le problème de l’amélioration de la tenue en service par les trois volets complémentaires suivants :Le premier volet s’attache à la caractérisation métallurgique et mécanique des rechargements dans l’objectif de proposer un rechargement avec une microstructure performante contre l’usure par abrasion. Le deuxième volet traite de l’influence des contraintes résiduelles dues au procédé de rechargement. Des solutions de rechargement avec sous-couche ont été étudiées. Les contraintes résiduelles associées ont été déterminées. Des essais de fatigue en flexion trois points avec ces différentes configurations ont été menés pour évaluer leur influence sur la durée de vie et l’amélioration apportée par les sous-couches.Le troisième volet s’intéresse au dimensionnement de ces structures. Afin de généraliser les résultats obtenus et d’aborder le problème de fatigue, une modélisation numérique par éléments finis a été réalisée. Cette modélisation considère le problème depuis la phase de frettage jusqu’au calcul de durée de vie en fatigue. / This study aims at improving the fatigue life of Horomill® grinding media designed and produced by the company Fives FCB. The main part which ensures the grinding is the sleeve. Hardfacing is welded on a P355NH steel substrate. After this operation the sleeve is shrunk on a shaft. Both operations introduce residual stress fields which add to cyclic contact loads and may lead to fatigue/wear/abrasion damage. Three complementary approaches are investigated in this work in order to improve the fatigue limit of the part :The first one deals with the metallurgical and mechanical characterization of various hardfacing deposits in order to recommend one with a microstructure adapted to abrasive wear.The second one is about the influence of residual stresses introduced by the welding operations. Hardfacing deposits with buffer layers have been studied and the relevant residual stress fields have been determined. Three point bending fatigue tests have been realized with the different hardfacing configurations to assess their influence on the service life. The aim of these fatigue tests is also to estimate the improvement provided by the buffer layer.The third one focuses on the design of such structures. Numerical modelling by finite element method has been performed in order to investigate the influence of design parameters on fatigue life. The model starts with stress computation from the shrinking operation and ends with the determination of the fatigue life of the sleeve.

Les alliages utilisés dans les turbines hydroélectriques sont soumis à des fluides corrosifs et érosifs et nécessitent un entretien. Récurrent la réparation et la restauration par soudage de pièces endommagées prennent beaucoup de temps et sont inefficaces, car elles nécessitent un traitement thermique et un usinage supplémentaires pour restaurer les propriétés et atteindre les dimensions d'origine. Cependant, l'application de revêtements de protection résistant à l'usure pourrait être une approche appropriée pour améliorer la durabilité et la performance des composants de la turbine. De plus, les revêtements eux-mêmes pourraient être utilisés pour la réparation et restauration de composant qui ont été usés. Cette étude porte sur l'utilisation de revêtements d'aluminure de fer renforcées avec du TiC et la caractérisation de sa résistance à l’usure. La première partie de cette recherche avait pour but de développer un procédé de synthèse de poudre composite à matrice de Fe₃Al renforcée par des particules de TiC employant la synthèse par combustion. La synthèse par combustion est ressortie comme une méthode économique et rentable pour la synthèse de matériaux composites à base d’intermétalliques. Les effets de la taille des particules des poudres de départ et du temps de pré-broyage des précurseurs sur la microstructure de la poudre finale ont été étudiés. Les poudres composites synthétisées ont été caractérisées par diffraction des rayons X (XRD) et par microscopie électronique à balayage (MEB) équipées d’un spectromètre rayons X à dispersion d’énergie (EDS). La composition chimique de la poudre ciblée, la microstructure et la distribution spatiale optimale des particules de TiC ont été obtenues en utilisant un temps de pré-broyage de 30 min et une température du four de 1100 °C. Les poudres synthétisées dans cette condition contenaient uniquement des phases Fe₃Al et TiC. À l'étape suivante, les poudres de Fe₃Al contenant diverses fractions volumiques de particules de TiC renforçant la matrice ont été déposées sur un substrat en acier doux en utilisant la technique de projection thermique à haute vitesse (HVOF). La résistance à l'usure des revêtements par glissement à sec (pin-on-disc) a été caractérisée en utilisant une contre face en Al₂O₃ ayant un diamètre de 6.33 mm. Tous les essais d'usure par glissement ont été effectués à température ambiante avec des vitesses de glissement allant de 0.04 m/s à 0.8 m/s. Il a été constaté qu'une augmentation de la teneur en TiC de 30% molaire à 50% molaire augmente la résistance à l'usure de 11% et 75% pour des vitesses de glissement de 0.1 m/s et 0.8 m/s respectivement. / En outre, une augmentation supplémentaire de la teneur en TiC jusqu'à 70% molaire a fourni des revêtements avec des taux d'usure d'un ordre de grandeur inférieurs à ceux mesurés pour les revêtements Fe₃Al-50% TiC molaire. Il a également été constaté que le taux d'usure augmente en augmentant la vitesse de glissement jusqu'à atteindre un point maximum puis diminue en augmentant encore la vitesse de glissement. Plus précisément, le taux d'usure maximale de chaque série de revêtements s'est déplacé vers des vitesses plus basses en augmentant la teneur en TiC. Les mécanismes d'usure dominants pour de tels revêtements et conditions d'essai ont été identifiés comme étant l'usure par abrasion, l'usure par adhésion, l'usure par fatigue et l'oxydation. Les résultats ont montré que, lors de l'utilisation de poudres de matières premières produites par synthèse de combustion, les revêtements HVOF présentaient une résistance à l'usure environ 1.5 à 20 fois plus élevée que les revêtements avec une composition identique produit par broyage haute énergie. La troisième partie de cette recherche portait sur la comparaison du comportement en usure par glissement des revêtements d'aluminure de fer avec des particules de TiC in-situ et exsitu. Les poudres de charge utilisées pour le revêtement par HVOF ont été préparées en employant un procédé mécanosynthèse. Il a été constaté que l'introduction de 10 % en volume de TiC synthétisé in situ pourrait être bénéfique pour améliorer la résistance à l'usure des revêtements. Cependant, une teneur plus élevée en TiC in-situ a diminué la résistance à l'usure des revêtements. Le mécanisme d'usure dominant était la délamination et l'usure par oxydation. / It was also found that the wear rate increases by increasing the sliding speed until it reaches a maximum point and drops by further augmentation of the sliding speed. More specifically, the maximum wear rate of each series of coatings shifted to lower speeds with increasing TiC content. The dominant wear mechanisms for such coatings and test conditions were identified to be abrasive wear, adhesive wear, fatigue wear and oxidation. Results showed that, when using feedstock powders produced by combustion synthesis, HVOF coatings exhibited about 1.5 to 20 times higher wear resistance compared to the feedstock with identical composition produced by high-energy ball milling. The third part of this research was concerned with comparing the sliding wear behaviour of iron aluminide coatings with in-situ and ex-situ TiC particles. The feedstock powders used for HVOF was prepared by employing mechanical alloying process. It was found that introducing 10 vol. % of in-situ synthesized TiC could be beneficial in improving the wear resistance of coatings. However, higher content of in-situ TiC decreased the wear resistance of coatings. The dominant wear mechanism was found to be delamination and oxidative wear. / Alloys used to manufacture hydroelectric turbines are subjected to corrosive and erosive media and require recurrent maintenance. Repair and restoration of damaged parts by welding are highly time-consuming and cost-ineffective since it needs further heat treatment and machining to restore the properties and achieve the original dimensions. However, applying a protective and wear resistant coating could be a suitable approach to improve the durability and performance of turbine components. Moreover, coatings could be used to repair and restore worn components. This study focuses on the use of TiC-reinforced iron aluminide coatings and the characterization of its wear resistance. The first part of this research was undertaken to develop a process to synthesize Fe₃Al matrix composite powder reinforced with TiC particles employing combustion synthesis. Combustion synthesis has emerged as energy and cost-effective method for synthesis of metal-based composite materials. The effects of particle size on starting powders and premilling time of precursors on the final powder microstructure were studied. The synthesized composite powders were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). The targeted powder chemistry, microstructure and optimum spatial distribution of TiC particles were obtained using a pre-milling time of 30 min and a furnace temperature of 1100 °C. Powders synthesized in this condition contained only Fe3Al and TiC phases. At the next step, the Fe₃Al powders containing various volume fractions of reinforcing TiC particles were deposited on a mild steel substrate using the high-velocity oxy-fuel (HVOF) technique. Dry-sliding wear resistance (pin-on-disk) of the coatings was characterized using an Al₂O₃ counterface having a diameter of 6.33 mm. All the sliding wear tests were conducted at room temperature with sliding speeds ranging from 0.04 m/s to 0.8 m/s. It was found that an increase in the TiC content from 30 mol % to 50 mol % increases wear resistance by 11% and 75% for sliding speeds of 0.1 m/s and 0.8 m/s, respectively. Moreover, further increase in TiC content to 70 mol % provided coatings with wear rates one order of magnitude lower than those measured for Fe₃Al-50 mol % TiC coatings.

La scie circulaire munie de dents en carbure de tungstène cémenté est largement utilisée dans la première transformation du bois. L'usure des dents a un effet négatif sur la qualité de la surface, la précision du sciage, la récupération du bois, le coût de production et la fiabilité du processus des scieries. Dès lors, l'amélioration de la résistance à l'usure de la scie circulaire est d'une grande importance. Le but du présent travail de recherche était de prolonger la durée de vie des scies circulaires utilisées dans la première transformation du bois. L'objectif a été atteint grâce à l'optimisation de la micro-géométrie de leurs arêtes de coupe, jumelée à la technique de dépôt physique en phase vapeur (PVD). Une série d'expériences industrielles et de laboratoire ont été menées. La première partie de cette recherche a montré que la modification de micro-géométrie des arêtes de coupe permettait de diminuer l'usure des scies de 2 à 3 fois par rapport aux scies conventionnelles. Cela s'explique par les changements que la géométrie des arêtes de coupe induit sur les mécanismes d'usure. Ainsi, pendant que les dents de géométrie conventionnelle s'usaient par écaillage, fissuration, abrasion et déformations plastiques, celles modifiées présentaient une diminution significative de l'usure par écaillage et fissuration. De plus, la modification des arêtes de coupe a contribué à réduire les variations de sciage entre et à l'intérieur des planches ainsi que la variation totale de sciage de 36 %, 38 % et 35%, respectivement. La deuxième phase de cette recherche s'est concentrée sur l'effet de la micro-géométrie d'ingénierie variable sur la qualité de surface des planches d'épinette, de pin gris et de sapin baumier (SPF). Une stratégie a été élaborée pour couper le bois sur le banc d'essai où les paramètres de coupe ont été choisis pour être identiques à ceux de la scierie. Des scies à trois niveaux d'usure (après 0, 255 et 900 min de travail dans une scierie) ont scié des équarris dans des conditions de bois gelé et non gelé. La qualité de surface des planches produites sur le banc d'essai a été évaluée à l'aide de paramètres standard de rugosité et d'ondulation. Les résultats de l'analyse de covariance (ANCOVA) ont révélé que les scies modifiées surpassaient considérablement la scie conventionnelle en termes de finition de surface du bois. La dernière partie de ce travail a porté sur la caractérisation de l'efficacité de la modification de la micro-géométrie d'ingénierie variable des arêtes de coupe des scies en combinaison avec l'utilisation de revêtements PVD des dents sur leur résistance à l'usure. Quatre revêtements multicouches ont été déposés sur des substrats WC-Co pour évaluer leurs propriétés tribo-mécaniques. Le CrN/CrCN s'est avéré le meilleur revêtement en termes d'adhérence et de résistance à l'usure. Suite à cela, des essais de caractérisation d'usure de scies ont été effectués dans des conditions de production industrielle avec trois types de scies: 1-revêtue et l'arête de coupe modifiée, 2-non revêtue et l'arête de coupe modifiée, et 3-revêtue et telle que fabriquée (non modifiée). La scie 1 a réduit le taux d'usure de 46 % et 16 % par rapport aux scies 3 et 2, respectivement, lors des premiers 480 min de sciage. Cette réduction a atteint 73 % et 41 %, respectivement, lorsque le sciage s'est poursuivi jusqu'à 960 min. / Circular saws with cemented tungsten carbide teeth are broadly used in primary wood processing. The wear of teeth has an adverse effect on surface quality, sawing accuracy, lumber recovery, production cost, and process reliability of sawmills. Therefore, improving the wear resistance of circular saws is of great importance. The goal of this research was to extend the life of circular saws used in primary wood processing. This was accomplished through optimization of the micro-geometry of cutting edges of saws and the application of coatings via the physical vapor deposition (PVD) technique. A set of industrial and laboratory experiments were conducted. The first part of this research showed that the modification of the micro-geometry of the cutting edges made it possible to reduce the wear of the saws by 2 to 3 times compared to conventional saws. This is explained by the changes that the geometry of the cutting edges induces on the wear mechanisms. Thus, while teeth with conventional geometry wear by chipping, cracking, abrasion and plastic deformation, the modified ones showed a significant reduction in wear by chipping and cracking. In addition, the modification of the cutting edges helped to reduce sawing variations between and within the boards as well as the total sawing variation by 36%, 38% and 35%, respectively. The second phase of this research focuses on the effect of variable engineered micro-geometry on the surface quality of spruce-jack pine-balsam fir (SPF) boards. Therefore, a strategy was devised to cut the wood on a test bench where the cutting parameters were selected to be identical as those of the sawmill. Saws with three levels of wear (after 0, 255, and 900 min of working at a sawmill) processed the cants under frozen and unfrozen wood conditions. The surface quality of boards produced on the test bench was assessed using standard roughness and waviness parameters. The results of the analysis of covariance (ANCOVA) revealed that the saw with a waterfall hone edge profile significantly outperformed the conventional saw in terms of wood surface finish. The final part of this work focused on characterizing the effectiveness of modifying variable engineering micro-geometry of saw cutting edges in combination with the use of PVD coatings of the teeth on their wear resistance. Four multilayer coatings were deposited on WC-Co substrates to evaluate their tribo-mechanical properties. CrN/CrCN proved to be the best coating in terms of adhesion and wear resistance. Following this, the wood processing was conducted under industrial production conditions with three types of saws: 1- coated and the modified cutting edge, 2- uncoated and the modified cutting edge, and 3- coated and as manufactured (unmodified). Saw #1 reduced the wear rate by 46% and 16% compared to saws #3 and #2, respectively, during the first 480 min of sawing. This reduction reached 73% and 41%, respectively, when sawing continued for up to 960 min.