La technologie laser est couramment utilisée dans les industries aéronautiques depuis les années 1980. La découpe au laser, comme étant un procédé d’enlèvement de matière, offre plus d’avantages que les procédés conventionnels de la découpe. Parmi les apports du laser, l’absence de contact mécanique avec le matériau à usiner, une limitation de contamination des matériaux et une production élevée due à une haute vitesse de coupe. Les alliages de titane et les composites intermétalliques à base de titane jouent un rôle important dans le domaine de la science et de l’ingénierie ainsi ils permettent de satisfaire les activités de fabrication avancée dans les industries aéronautiques. L’amélioration de ce procédé de fabrication est souhaitable pour augmenter les performances techniques et accentuer l’intérêt économique. Les travaux réalisés ont porté sur l’étude et l’analyse des effets des paramètres de l’usinage par faisceau laser sur l’intégrité de la surface en termes de qualité et morphologie de la surface usinée de plusieurs matériaux, tels que, le titane pur, les alliages de titaneTi-6Al-4V et Ti6242 et le composite intermétallique à base de titane afin d’optimiser les conditions de découpage par laser.La sélection des paramètres de coupe dans le processus d’usinage laser tels que la puissance du laser, la vitesse de coupe, la pression du gaz d’assistance est importante pour assurer l’exactitude de l’usinage et l’amélioration de la microstructure, la rugosité, la zone affectée thermiquement, la largeur de la saignée, la micro dureté et le taux d’enlèvement de matière, résultant des sollicitations mécaniques et thermiques subies durant les différentes étapes de production.Cette étude se base sur une approche empirique faisant intervenir la méthodologie des plans d’expériences (ANOVA, Taguchi), la technique de la logique floue et les méthodes de décision multicritères (FTOPSIS, GRA) pour définir d’une façon rationnelle les essais expérimentaux visant à optimiser les conditions de découpe au laser dans le but de maximiser la production en assurant une meilleure qualité de fabrication. / Laser technology has been widely used in the aeronautics industry since the 1980s. Laser cutting, as a material removal process, offers more advantages than conventional cutting processes. Among the contributions of the laser, the absence of mechanical contact with the material, a limitation of contamination of the materials and a high production due to a high cutting speed. Titanium alloys and titanium-based intermetallic composites have an important role in the field of science and engineering, making it possible to satisfy advanced manufacturing activities in the aerospace industries. Improvement of this manufacturing process is desirable to increase technical performance and economic interest. The present framework focused on study and analysis of the effects of laser beam machining parameters on the surface integrity in terms of quality and morphology of several materials, such as pure titanium, titanium alloysTi-6Al-4V and Ti6242 and the titanium-based intermetallic composite to optimize laser cutting conditions.Selection of cutting parameters in the laser machining process such as laser power, cutting speed, assist gas pressure is important to ensure machining accuracy and microstructure , roughness, heat affected zone, kerf width, microhardness and rate of removal of material improvement, resulting from the mechanical and thermal stresses undergone during the different stages of production.This study is based on an empirical approach involving the experimental design methodology (ANOVA, Taguchi), the fuzzy logic technique and the multicriteria decision methods (FTOPSIS, GRA) aiming at optimizing laser cutting conditions in order to maximize production by ensuring better manufacturing quality.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Une exposition aux nanoparticules (NP) de dioxyde de titane (TiO2) peut entraîner un remodelage matriciel, dans lequel la Matrix Metalloprotéase-1 (MMP-1) notamment pourrait jouer un rôle important. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons 1/ mesuré l' expression de la MMP-1 sur des fibroblastes pulmonaires humains après exposition à des particules de TiO2 de différentes tailles, formes et variétés cristallines, ainsi qu' une NP de noir de carbone (NC), et 2/ administré des NP de TiO2 et de NC sur un modèle d‟emphysème pulmonaire induit par l' élastase chez le rat. Sur les fibroblastes pulmonaires humains, certaines NP de TiO2 induisent l' expression de la MMP-1 via l' interleukine-1β (IL-1β) et augmentent son activité. Les particules de TiO2 micrométriques induisent l' expression de la MMP-1 sans lien avec l' IL-1β et les NP de NC ne modulent pas l' expression de la MMP-1. L' exposition des rats aux NP de TiO2 n' entraîne pas d' effet ; l' exposition aux NP de NC entraîne une inflammation et une induction de l' expression de la MMP-12. Cette exposition aggrave, de plus, l' inflammation provoquée par l' élastase, ce qui n' est pas observé avec les NP de TiO2. Au total, notre travail montre bien un rôle pour les NP de TiO2 dans le remodelage matriciel, via l' induction et l' activation de la MMP-1 in vitro. In vivo, les NP de NCpeuvent aggraver ceertaines réponses à l' élastse. La composition chimique et la taille des particules semblent être des déterminants importants de leurs effets. / Exposure to titanium dioxide (TiO2) nanoparticles (NP) can lead to matrix remodeling, a phenomenon in which Matrix metalloprotease-1 (MMP-1) notably could play an important role. To validate this hypothesis, we 1/ studied MMP-1 expression in human pulmonary fibroblasts after exposure to TiO2 particles of different sizes, shapes and crystal phases and one Carbon Black (CB) NP, and 2/ measured the effect of TiO2 CB NP on an elastase-induced emphysema model in rats.On human lung fibroblasts, some TiO2 NP induced MMP-1 through an interleukin-1β (IL-1β) dependent mechanism, and increased MMP-1 activity. TiO2 micrometric particles induced MMP-1 without IL-1β implication, and CB NP did not induce MMP-1. Rat exposure to TiO2 NP had no effect but exposure to NC NP induced inflammation and MMP-12 expression. TiO2 NP did not modulate elastase effects. NC NP aggravated elastase-induced inflammation.In total, our work shows a role for TiO2 NP in matrix remodeling, via MMP-1 induction and activation in vitro. In vivo, CB NP can aggravate some elastase-induced effects. Particles composition and size seem to be important determinants of their effect.

L'étude réalisée porte sur la formation des microstructures par changement de phases dans l'alliage de titane [bêta]-métastable Ti-5553. Les transformations de phase ont été caractérisées au refroidissement depuis le domaine monophasé [bêta] et au cours de revenus après mise en solution dans le domaine [bêta] (ou [alpha]+[bêta]) et trempe. L'influence des paramètres du traitement thermique (vitesses de refroidissement et de chauffage, températures de transformation) sur les cinétiques de changements de phase, sur les séquences de précipitation et sur les mécanismes de transformation a été abordée par suivi des variations de résistivité électrique, par DRX in situ sous rayonnement synchrotron et par microscopies (optique et électronique). L'évolution des paramètres de maille des phases et de la largeur à mi-hauteur des pics de la phase [bêta] a permis de mettre en évidence les variations de composition chimique et les changements d?état de contrainte engendrés lors des transformations. Les conditions de formation des phases métastables ([alpha]", w) aux températures inférieures à 500°C ont été caractérisées comme leur influence sur les microstructures finales et en conséquence sur les propriétés mécaniques. Pour mieux appréhender la précipitation intragranulaire de la phase [alpha], deux modèles (Eshelby et champ de phase) ont été développés afin de prédire les évolutions morphologiques des précipités. Ces modèles prennent en compte un comportement élastique anisotrope et hétérogène pour les deux phases. Nous avons montré que l'énergie élastique générée lors de la transformation [bêta] -> [alpha] pilote en grande partie la forme et l'orientation des précipités ainsi que leur arrangement spatial. Les résultats du calcul sont proches des observations microstructurales / The present study is mainly about microstructures formation during phase changes in the near beta titanium alloy Ti-5553. Phase transformations were characterized on cooling from the beta phase field and on ageing after solutionizing in the beta (or alpha + beta) phase field and quenching. The influence of heat treatment parameters (cooling and heating rates, transformation temperatures) on phase transformation kinetics, precipitation sequences and transformation mechanisms was analysed using electrical resistivity measurements, in situ high energy X-Ray diffraction and microscopy (optical and electron). Cell parameters evolution of each phase and full width at half maximum variations of beta phase peaks have allowed to highlight the changes of the chemical composition and the stress state during phase transformation. Formation of metastable phases (alpha?, w) at temperatures lower than 500°C were characterized as well as their influence on final microstructures and therefore on mechanical properties. For better understanding the intragranular precipitation of the alpha phase, two models (Eshelby and phase field) were developed in order to predict morphological evolutions of the precipitates. These models take into account the anisotropic and heterogeneous behaviour for both phases. We have shown that the elastic strain energy generated by beta -> alpha phase transformation drives to a large extent the precipitate shape and orientation as well as their spatial arrangement. Calculation results are close to microstructural observations

Au cours de leur mise en forme, les alliages de titane destinés à la fabrication de pièces tournantes pour moteurs d'avions suivent un schéma thermomécanique complexe constitué généralement de plusieurs opérations de forgeage. L'étape de forgeage dans le domaine monophasé β joue un rôle important, car elle conditionne la transformation de phases qui s'opère au cours du refroidissement ou du traitement thermique consécutif dans le domaine biphasé α-β, et donc les propriétés mécaniques finales de la pièce. La maîtrise de l'évolution de la microstructure et de la texture cristallographique au cours du forgeage dans le domaine β est donc indispensable pour optimiser l'ensemble du procédé de mise en forme. Pour cela, il est important de bien comprendre les mécanismes de recristallisation dynamique (continue et géométrique) se produisant dans ce type de matériau.Dans cette étude, les effets de la température, de la déformation et de la vitesse de déformation ont été étudiés au moyen d'essais de compression uniaxiale et de torsion à chaud. Les microstructures et textures de déformation ont été caractérisées par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD). Ces approches expérimentales sont associées à un travail de modélisation, pour lequel le schéma de recristallisation dynamique "continue" (ou CDRX), consistant en une fragmentation progressive des grains β initiaux par la formation de nouveaux joints de grains, a été adapté à partir d'études antérieures. Les paramètres caractérisant les mécanismes élémentaires de la CDRX (écrouissage, restauration dynamique, migration des joints) ont été déterminés par ajustement sur les données expérimentales.Ces travaux ont pour objectif l'élaboration d'un post-processeur métallurgique dédié au forgeage des alliages de titane en phase β. / Titanium alloys used for the manufacture of rotating parts of aircraft engines undergo complex thermomechanical processing schedules, involving usually several forging operations. The forging step in the single -phase domain plays an important role, because it governs the phase transformation that occurs during cooling or subsequent heat treatment in the two-phase α+β range, and therefore the final mechanical properties of the workpiece. Controlling the microstructural evolutions during forging in the β-domain is of prime interest to optimize the entire process of disks manufacture. A full understanding of the (continuous and geometric) dynamic recrystallization mechanisms occurring in this type of material is therefore required.In this study, the effects of temperature, strain and strain rate were investigated by hot uniaxial compression and torsion tests. The microstructures and textures were characterized using backscattering electron diffraction (EBSD). These experimental approaches were associated with the development of a physical model. In the latter, the mechanism of "continuous" dynamic recrystallization (CDRX), consisting of a progressive initial fragmentation of the grains leading to the formation of new grain boundaries, was adapted from former studies. The parameters characterizing the elementary mechanisms of CDRX (strain hardening, dynamic recovery, grain boundary migration) were determined by fitting the experimental data.The final objective of this work is to develop a metallurgical post-processor dedicated to forging operations of titanium alloys in the -phase range.

L'objet de cette thèse traite du dépôt de couches minces photocatalytiques de dioxyde de titane par l'utilisation d'un dispositif plasma à la pression atmosphérique. Le dispositif industriel utilisé permet le traitement du substrat en post-décharge à basse température. L'objectif à terme est le développement d'un procédé de dépôt en vue de recouvrir des pièces 3D thermosensibles d'un revêtement autonettoyant à moindre coût. Après avoir mis en évidence les bonnes propriétés photocatalytiques des dépôts effectués dans le cadre de cette thèse, le présent travail s'est focalisé sur la compréhension des mécanismes responsables cette photocatalycité. Pour ce faire, trois séries de dépôts correspondant à trois températures de substrat différentes ont été étudiées selon leur composition chimique, leurs mécanismes de croissance et leur cristallinité. Il ressort de cette étude que la photoactivité des dépôts est essentiellement le fait de leur importante surface spécifique ; la cristallinité, bien que présente à haute température de substrat, semblant avoir une influence moindre. Cette surface spécifique est quant à elle due à la croissance d'agglomérats, dont l'adhésion au dépôt diminue avec leur taille. Formés en phase gaz dans des boucles de recirculation, ceux-ci semblent se développer du fait de multiples phénomènes : croissance CVD à leur surface, « agglomération de surface » et « redépôt ». Aussi, il apparait qu'à débit de précurseur donné, leur nombre et leur taille sont deux facteurs intimement liés. Ainsi, en vue de l'optimisation du procédé de dépôt, la maîtrise de leur formation est nécessaire. Celle-ci passe par la diminution du débit de précurseur, de la puissance incidente et de l'ensemble des débits de gaz, telles sont les perspectives principales de ce travail / This PhD work deals with the deposition of photocatalytic thin films of titanium dioxide at low temperature in the post-discharge of an atmospheric pressure plasma process. The main objective is the development of a low cost route for the deposition of self-cleaning coatings on 3D thermosensitive substrates. The deposited coatings present good photocatalytic properties which origin is firstly investigated. The elemental composition, the growth mechanisms and the crystallinity of three series of coatings corresponding to three different deposition temperatures are studied. The high specific surface of the coatings, due to the growth of agglomerates, appears to be the main parameter responsible for such photocatalytic properties. But these agglomerates are also responsible for the poor mechanical properties of the coatings as their adhesion decreases with their size. These agglomerates are formed in gas phase in recirculation loops and develop through multiple phenomena: CVD growth, agglomeration at the surface of the coating and redeposition due to the influence of the post-discharge on the surface of the coating. Moreover, at a given precursor flow rate, their number and their size are interlocked. Thus, with the aim of optimizing the deposition process, the control of the formation of such structures through the decrease of the precursor flow rate, the power input and the gas flows are mandatory and are a perspective of this PhD work

Les alliages de titane sont largement utilisés dans le secteur de l’aéronautique. Cependant,ces alliages sont très sensibles aux gammes d’élaboration et de mises en forme. Cesdernières ont une grande influence sur l’intégrité de surface des produits finis, ce qui aun impact sur la durée de vie des pièces en service. Il est donc nécessaire de maîtriser lesprocédés afin de pouvoir définir la tenue en service des pièces.Dans ces travaux, les différentes intégrités de surface sont décrites en termes d’évolutionmicrostructurale, de contraintes résiduelles et de micro-géométrie. Des essais de fatigueen flexion 4 points sont réalisés pour tester les performances mécaniques de ces surfaces.Nous avons remarqué une bonne cohérence entre les modèles reliant l’intégrité de surfaceet la tenue en fatigue déterminée expérimentalement.De plus, étant donné que les alliages de titane ont des microstructures complexes etpeuvent être multiphasés, nous nous sommes aussi intéressés au caractère hétérogènede ces matériaux principalement dans l’analyse de contraintes résiduelles déterminées àl’aide de la diffraction des rayons X. Nous avons remarqué que ces hétérogénéités ontun impact sur la détermination des contraintes résiduelles. De fait une méthodologiede détermination de contraintes non standard a été mise en place et validée par dessimulations utilisant un modèle d’homogénéisation auto-cohérent.Ces modèles d’homogénéisation sont intéressants d’un point de vue de la déterminationdes contraintes résiduelles par diffraction des rayons X car ils permettent la prise encompte de l’aspect multiphasé des matériaux ainsi que leur caractère anisotrope. / Titanium alloys are widely used in aeronautics industries. However, these alloys are highlysensitive to the method for elaboration and transformation processes. These processesimpact on the surface integrity of products. Therefore, they have to be controlled inorder to predict life time of structures.In this work, the study of surface integrity is focused on the description of microstructalevolution, residual stresses and micro-geometry. Four points bending tests were performedin order to determined the fatigue limit of the different studied processes. We find outa good consistency between models used to determinate lifetime from surface integrityinvestigation and experimental results.Moreover, microstructures of titanium alloys are highly complex and they often are twophasedmaterials. Consequently, we studied the heterogeneous behaviour of such materialby X-ray diffraction investigation.We found out that these heterogeneities have an impacton residual stresses determination. Therefore, a non-standard methodology was definedand validate by simulation using a micro-mechanic model : a self-consistent model.Micro-mechanical models are interesting for the residual stresses determination using Xraydiffraction because they allow to take into account heterogeneous and anisotropicbehaviours through anisotropic elasticity and anisotropic texture.

L’introduction massive des alliages de titane pour les pièces de structures aéronautiques a soulevé de nouvelles problématiques d’usinage. Du fait que les matériaux réfractaires présentent de faibles propriétés thermiques leur mise en forme par usinage à sec est difficile. L’objectif industriel est d’améliorer la productivité de l’usinage des alliages de titane afin d’en réduire les coûts. Des travaux concernant la coupe du Ti6Al4V α+β, du Ti54M et du Ti6Al4V traité β ont été réalisés pour mettre en évidence les différences d’usinabilité entre ces trois matériaux. Ces travaux mettent en avant une forte influence du comportement orthotrope et de l’hétérogénéité de la microstructure lamellaire, ainsi que de la taille des grains du Ti6Al4V traité β sur la mise en forme par coupe. L’étude sur l’usure des outils par diffusion montre que le principal élément de diffusion est le titane et que par conséquent aucune différence n’est observée entre les trois matériaux. Pour confirmer que la diffusion est le mode d’usure principal, des essais de perçage instrumentés avec un système de mesure de température sans fil ont été effectués. Les températures à l’arrière de l’arête de coupe atteignent des températures supérieures à 500°C pour de faibles vitesses de coupe. A cette température le phénomène de diffusion est thermiquement activé et confirme les hypothèses évoquées précédemment. Enfin, pour avoir une compréhension des différences d’usinabilité mises en évidence lors des travaux expérimentaux, une recherche sur le comportement des matériaux (Johnson-Cook) et la mise en place d’une simulation numérique ont été réalisées. Les simulations réalisées à l’aide des lois de comportement identifiées précédemment modélisent précisément l’usinage du Ti6Al4V α+β et du Ti54M. L’hétérogénéité du Ti6Al4V traité β ne permet pas une bonne modélisation de la formation du copeau. Une modélisation polycristalline serait plus adaptée. / The massive introduction of titanium alloys onto the aeronautical structures parts has raised new problems in the machining process. Because of their low thermal properties (refractory materials), they are considered as difficult to cut material. The industrial aim is therefore to improve the productivity of the titanium alloy’s machining and to reduce their costs. Some research on Ti6Al4V α + β, Ti54M and β-treated Ti6Al4V cutting was carried out to point out machinability’s differences between these three materials. This work highlights a strong influence of the orthotropic behavior and the heterogeneity of the lamellar microstructure as well as the grain size of the β-treated Ti6Al4V on cutting. The study on the tool wear diffusion shows that the main diffusion element is titanium and therefore no difference is observed between those three materials. To check that diffusion is the main wear mode, instrumented drilling tests with a wireless temperature measurement device were performed. Temperatures behind the cutting edge reach temperatures above 500 °C for low cutting speeds. At this temperature the phenomenon of diffusion is thermally activated. Finally, in order to have an understanding of the machinability consistencies, a research on the materials’ behavior (Johnson-Cook) and the implementation of a numerical simulation were realized. The simulations carried out, using the previously identified behavior’s laws, model precisely the machining of the Ti6Al4V α+β and Ti54M. The heterogeneity of the β-treated Ti6Al4V does not allow a good modeling of the chip formation. Polycrystalline modeling would be more appropriate.

L'exposition à des nanoparticules manufacturées (NP) peut entraîner des effets sur la santé, notamment au niveau respiratoire, où elles peuvent induire des phénomènes de remodelage pulmonaire. Toutefois, les mécanismes cellulaires sous-jacents à ces effets et l'influence des caractéristiques physico-chimiques des NP dans ces effets sont encore loin d'être compris. L'objectif de cette thèse était d'évaluer la réponse macrophagique à des NP présentant différentes caractéristiques physico-chimiques (taille/longueur, composition chimique, forme, structure cristalline ou propriétés de surface) en se concentrant particulièrement sur leurs effets sur l'autophagie. Nous avons montré que l'exposition de macrophages murins à des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT) induisait un blocage de l'autophagie tandis que l'exposition à des NP sphériques induisait une autophagie fonctionnelle. Le blocage du flux autophagique par les MWCNT est associé à une accumulation de lysosomes non fonctionnels. Par ailleurs, les MWCNT induisaient une réponse oxydante et pro-inflammatoire plus importante que les particules sphériques qui pourrait être lié à leur blocage de l'autophagie. Ces résultats montrent un rôle prépondérant de la forme des nanomatériaux sur le processus autophagique, et ouvrent de nouvelles voies pour l'interprétation et la compréhension de la toxicité des nanomatériaux / L'exposition à des nanoparticules manufacturées (NP) peut entraîner des effets sur la santé, notamment au niveau respiratoire, où elles peuvent induire des phénomènes de remodelage pulmonaire. Toutefois, les mécanismes cellulaires sous-jacents à ces effets et l'influence des caractéristiques physico-chimiques des NP dans ces effets sont encore loin d'être compris. L'objectif de cette thèse était d'évaluer la réponse macrophagique à des NP présentant différentes caractéristiques physico-chimiques (taille/longueur, composition chimique, forme, structure cristalline ou propriétés de surface) en se concentrant particulièrement sur leurs effets sur l'autophagie. Nous avons montré que l'exposition de macrophages murins à des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT) induisait un blocage de l'autophagie tandis que l'exposition à des NP sphériques induisait une autophagie fonctionnelle. Le blocage du flux autophagique par les MWCNT est associé à une accumulation de lysosomes non fonctionnels. Par ailleurs, les MWCNT induisaient une réponse oxydante et pro-inflammatoire plus importante que les particules sphériques qui pourrait être lié à leur blocage de l'autophagie. Ces résultats montrent un rôle prépondérant de la forme des nanomatériaux sur le processus autophagique, et ouvrent de nouvelles voies pour l'interprétation et la compréhension de la toxicité des nanomatériaux

Développée il y a vingt ans par le professeur Grätzel, la technologie des cellules solaires à colorant constitue une alternative intéressante aux panneaux solaires à base de silicium communément commercialisés. Contrairement aux cellules photovoltaïques conventionnelles, le fonctionnement de ces dispositifs repose sur un principe inspiré de la photosynthèse naturelle. En effet, basés sur la sensibilisation de l’oxyde de titane par un colorant absorbant la lumière du soleil à l’instar de la chlorophylle chez les plantes, ces dispositifs permettent d’atteindre des rendements de conversion de l’énergie solaire en électricité de plus de 10% pour des coûts de production relativement bas. Ces travaux de thèse concernent la synthèse de nouveaux complexes de ruthénium porteurs de ligands terpyridines. Les ligands terpyridines ont été préparés par une méthode simple et douce. Une nouvelle voie de synthèse du ligand 4,4’,4’’-tricarboxy-2,2’ :6’,2’’-terpyridine (H3tcterpy) a été développée et comparée à la voie initiale en utilisant les critères de la chimie verte. Les complexes obtenus à partir de ces ligands ont été étudiés par spectroscopie d’absorption UV-visible, d’émission et par électrochimie afin de déterminer leur réponse spectrale ainsi que leurs propriétés énergétiques. Certains colorants ont été testés au sein de cellules photovoltaïques atteignant des performances allant jusqu’à 5,57% de rendement de conversion de l’énergie solaire en électricité. / Developed twenty years ago by Prof Grätzel, Dye sensitized solar cells are an interesting alternative to the commonly commercialized silicon based solar panels. Unlike conventional solar cells, the operation principle of these devices is based from natural photosynthesis. Indeed, based on the sensitization of titanium dioxide by a dye that absorbs solar light such as chlorophyll from plants, these devices can reach solar energy to electricity conversion yield above 10% with low production costs. This PhD project deals with the synthesis of new ruthenium complexes bearing terpyridine ligands. Terpyridine ligands have been prepared by a straightforward and mild method. A new route has been developed for the synthesis of 4,4’,4’’-tricarboxy-2,2’ :6’,2’’-terpyridine (H3tcterpy) and compared to the initial pathway using green chemistry criteria. The complexes obtained from these ligands have been studied by UV-visible and emission spectroscopies and electrochemistry with a view to determine their spectral responses and their energetic properties. Some of these dyes have been tested in dye sensitized solar cells, reaching solar energy conversion to electricity yields up to 5.57%.