Les procédés de soudage conduisent à des modifications de microstructure et induisent des contraintes et distorsions résiduelles jouant un rôle important sur la tenue mécanique des assemblages. Cette étude a pour objectif la modélisation des phénomènes thermomécaniques liés à l'opération de soudage du TA6V, ce qui implique d'identifier et de modéliser les sollicitations thermiques imposées par le soudage, le comportement métallurgique et thermomécanique du matériau. L'étude thermique et métallurgique a permis de montrer les principales évolutions de phases de l'alliage, durant le soudage laser. Ainsi, en première approximation, nous pouvons considérer que 3 phases distinctes sont à prendre en compte dans le calcul thermomécanique (la phase a, la phase ß et la phase a'). Afin de caractériser les phases ou mélange de phase en présence, des essais thermomécaniques sont réalisés pour diverses températures et conditions de déformation. Concernant le choix du modèle numérique, on adopte pour chacune des phases un modèle à variables internes de type Lemaître et Chaboche avec écrouissage cinématique non linéaire, un critère de plasticité de type Von Mises et une loi d'écoulement viscoplastique de type Norton, couplé à une loi de transition d'échelle. L'identification de chaque phase se fait par méthode inverse, à partir des essais thermomécaniques, grâce au module d'optimisation de ZSeT/ZMaT. La loi de localisation choisie est basée sur un modèle polycristallin en ß qui permet le passage du comportement microscopique de chaque phase au comportement macroscopique de l'ensemble. La validité de ce modèle décrit précédemment passera par la définition d'un essai expérimental représentatif des différents phénomènes rencontrés lors de l'opération de soudage.

Le but de cette étude était de simuler par éléments finis la mise en forme à froid à et à chaud d'alliages de titane. Les alliages de titane ont une microstructure et un comportement complexes qui évoluent en fonction de la température, de la déformation, mais aussi de la vitesse de déformation, il est donc difficile de déterminer une loi de comportement fiable sur une large plage de sollicitations. Le choix d'une loi de comportement macroscopique élasto-viscoplastique thermodépendante est donc nécessaire pour représenter le procédé de formage à chaud dans une plage de température pertinente. Différentes lois de comportement répondaient aux besoins du projet, mais la loi de comportement d’Adinel Gavrus est la plus appropriée. Les résultats ont mis en évidence le fait que les alliages de titane TA6V et Ti6242 sont anisotropes à haute température et que l’anisotropie à chaud du TA6V et du Ti6242 peut être représentée à l’aide du critère de plasticité Hill48. Afin de déterminer le comportement mais aussi l’anisotropie du matériau, l’éprouvette doit être visible lors des essais de traction afin d’utiliser la corrélation d’image pour obtenir les champs de déformation locaux et ainsi obtenir l’évolution des coefficients d’anisotropie au cours de l’essai. Le procédé de chauffage par effet joule a été utilisé, la machine de traction a exigé de multiples modifications afin d’être isolée électriquement. Le chauffage par effet joule est finalement une solution efficace pour effectuer des essais de tractions à chaud tout en visualisant l’éprouvette. L’analyse inverse a permis d’utiliser les données d’entrée des essais de traction afin d’identifier les différents paramètres de la loi de comportement développée par Adinel Gavrus. D’autre part, la corrélation d’image couplée aux essais de traction a permis l’obtention des valeurs du critère d’anisotropie plastique de Hill48. La mesure des coefficients d’anisotropie a mis en exergue le fait que le critère de Hill48 était pertinent pour la modélisation du TA6V ainsi que du Ti6242 à haute température. La mise en forme du godet à fond plat ainsi que des pièces industrielles a permis d’avoir des cas concrets de mise en forme ainsi que d’identifier les problèmes récurrents dans la mise en forme de produits minces à chaud comme à froid. La modélisation de ces différents essais a été réalisée sous le logiciel FORGE®, la corrélation d’image 3D a pu être utilisée sur le cas de l’emboutissage à froid de godet à fond plat afin de comparer les valeurs de déformation. Néanmoins la corrélation d’image 3D n’est pas utilisable sur les cas d’emboutissage à chaud. Il a donc fallu utiliser un autre observable. Nous avons choisi pour cela la distribution d’épaisseur le long de différents profils de chaque pièce. Les résultats obtenus sont très positifs mettant en avant la pertinence de la simulation numérique. Nous avons ensuite étudié l’optimisation des processus de formage suivant différents angles. L’optimisation manuelle de la géométrie fut pertinente, à l’aide d’une modification simple de la géométrie initiale du flan, le procédé de formage a pu être réalisé en une passe au lieu de deux. L’analyse de sensibilité des paramètres de la loi de comportement a permis de mettre en avant l’importance des coefficients de la loi de comportement en plus de leurs impacts sur l’épaisseur minimale lors d’un essai d’emboutissage. La corrélation entre essai de traction et épaisseur minimale sur l’essai d’emboutissage n’a pas donné les résultats escomptés, les données d’entrée utilisées suite aux essais de traction n’étaient certainement pas suffisantes pour être corrélées à l’épaisseur minimale obtenue au cours d’un essai d’emboutissage. Enfin l’étude de la covariance des paramètres des lois de comportement a permis d’étudier en profondeur les surfaces de réponses issues de l’analyse inverse tout en mettant en évidence les impacts des minimums locaux et globaux lors de la minimisation de la fonction coût. / The purpose of this study was to simulate by finite element cold and hot forming in titanium alloys. Titanium alloys have a complex microstructure and behavior that change depending on the temperature, deformation, but also the strain rate, so it is difficult to determine a behavior law reliable over a wide range of loads. The choice of a macroscopic elastic-viscoplastic temperature dependent behavior law is necessary to represent the hot-forming process in a relevant temperature range. Different behavior laws met the needs of the project, but Adinel Gavrus behavior law is the most appropriate. The results showed that the titanium alloy Ti6Al4V and Ti6242 are anisotropic at high temperature and that the plasticity of Ti6Al4V and Ti6242 can be represented using the Hill48 yield criterion. To determine the behavior but also the anisotropy of the material, the specimen must be visible during tensile tests in order to use the image correlation in order to obtain local deformation fields and thus to obtain the evolution of the coefficients of anisotropy during the test. The method of heating by the Joule effect has been used, the traction machine required multiple modifications to be electrically insulated. The heating by the Joule effect is finally an effective solution for making hot tensile test while viewing the specimen. The inverse analysis allowed using the tensile test input data to identify the different parameters of the constitutive law developed by Adinel Gavrus. On the other hand, the image correlation coupled with tensile tests allowed obtaining the values of plastic anisotropy of specific Hill48. The measurement of anisotropy coefficients highlighted the fact that the test was relevant to Hill48 modeling Ti6Al4V and to the Ti6242 at high temperature. The forming of cup and industrial parts allowed having concrete cases of forming and identifying recurring problems in the hot or cold forming of thin products. Modeling these tests was carried out on the Forge® software, the 3D image correlation have been used to compare values with the case of cup drawing with cold deformation. Nevertheless the 3D image correlation was not used on the case of hot stamping. It was therefore necessary to use a different observable. We chose the thickness distribution along different profiles of each piece. The results are very positive, highlighting the relevance of numerical simulation. Then we studied the optimization of the following forming process different angles. The manual optimization of the geometry was relevant, with a simple modification of the initial geometry of the blank, the forming process could be achieved in one pass instead of two. The sensitivity analysis of the parameters of the constitutive law has helped to highlight the importance of the coefficients of the constitutive law in addition to their impact on the minimum thickness at a drawing test. The correlation between tensile test and minimum thickness on the test stamping has not yielded the expected results, the input data used following the tensile tests were certainly not sufficient to be correlated to the minimum thickness obtained during a drawing test. Finally the study of the behavior laws of covariance parameters allowed to study in depth the surface response resulting from the inverse analysis while highlighting the impacts of local and global minima during the minimization of the cost function.

Afin d'améliorer la qualité des dépôts réalisés par projection thermique, diverses techniques connexes aux procédés de projection ont été développées. Parmi celles-ci, on peut noter les procédés laser qui peuvent présenter l'avantage de dispenser un traitement localisé en surface, simultané à la projection. Comparés aux techniques de préparation couramment employées, ces procédés sont également plus respectueux de l'environnement. Le sujet de thèse repose donc sur la compréhension et la maîtrise des prétraitements laser (préchauffage, ablation) afin d'améliorer les propriétés finales des revêtements réalisés et en particulier l'adhérence des dépôts sur le substrat.

Cette étude se propose de fournir une description précise des microstructures lamellaires de deux alliages, le Zircaloy-4 et le TA6V, et de caractériser leur déformation à haute température. A cette fin, des techniques expérimentales nouvelles pour ces matériaux ont été développées : essai Jominy instrumenté, compression plane encastrée à parois mobiles, microtomographie X. Les principaux résultats soulignent le rôle de la phase alpha_GB formée aux anciens joints de grains bêta sur la sélection de variants dans le Zircaloy-4 et le TA6V. L'agencement tridimensionnel des colonies dans le TA6V est également mis en lumière pour la première fois et discuté en relation avec la genèse de la microstructure. Dans le Zircaloy-4 comprimé à haute température, plusieurs mécanismes de localisation de la déformation sont observés. L'activité du maclage à 750 °C, en particulier, est clairement mise en évidence. Une classification de ces hétérogénéités est proposée et leur influence sur la recristallisation est discutée.

Les implants utilises comme biomateriaux sont fonctionnels, biocompatibles et certains bio-actifs. Il existe quatre familles de biomateriaux : les metaux et alliages, les ceramiques, les polymeres et les materiaux naturels. Des phenomenes d'usures (corrosion, frottement) generent des debris dans l'organisme. Ces debris engendrent differents problemes: toxicite, reactions inflammatoires, descellements prothetiques par lyse osseuse. Nature, taille, morphologie, quantite des debris sont des parametres qui influencent les reactions biologiques susceptibles de se produire. Nous avons caracterise la contamination metallique (migration, comportement in vivo, quantite, taille et nature des debris) provenant des protheses de genou au niveau du tissu capsulaire voisin. Les methodes PIXE-RBS et STEM-EDXS, principalement employees, sont des outils complementaires. Les debris sont repartis de facon heterogene dans l'articulation du genou. Ils migrent sur plusieurs milliers de micro m en profondeur. Pour les echantillons fortement pollues, les debris sont des grains d'alliages de dimension de l'ordre du micro m (PIXE). Les rapports massiques in vivo confirment la stabilite chimique des grains de TA6V et l'evolution des grains de CrCoMo. Une etude a l'echelle nanometrique (STEM-EDXS) montre une dissolution de grains de TA6V (micro m) en de plus petits (nm). Localement la presence de grains de phase αlpha indiquerait une dissolution preferentielle de la phase beta (joint de grain) avec largage de Al et de V elements carcinogenes et toxiques. Le developpement d'un protocole PIXE-histologie en cible mince, correle une analyse PIXE et histologique sur une meme zone. Ce protocole informe sur les pathologies liees aux contaminations metalliques, meme si leur teneur est de l'ordre du micro g/g, grace a la sensibilite de la methode PIXE. De plus l'innocuite vis a vis de la radioactivite de plusieurs biomateriaux naturels ou synthetiques est etablie, a l'aide de systeme de detection gamma ultra bas bruit de fond.

Les durées de vie classiques des pièces en aéronautique sont de plusieurs dizaines d’années. Cependant, certaines applications en marge impliquent des durées de vie bien plus courtes, sans réparation ou récupération des pièces. Les modèles de conception classiques doivent être adaptés et la démarche du choix matériau se faire « au juste besoin », autorisant l’utilisation des matériaux aux conditions limites de leur intégrité. Afin d’estimer ces limites, la caractérisation à plus hautes températures d’alliages existants est entreprise. C’est dans cette optique que se placent les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit. L’alliage étudié est le Ti-6Al-4V (TA6V) forgé qui possède à l’issu du traitement thermomécanique une microstructure duplex. Il est actuellement l’alliage de titane le plus couramment utilisé en aéronautique et son utilisation est généralement limitée aux environs de 350°C pour des durées de vie classiques. Dans le but d’utiliser cet alliage pendant une dizaine d’heure, l’étude menée consiste à caractériser le TA6V de 20°C à 600°C. La caractérisation se centre, dans un premier temps, sur l’état métallurgique de la matière initiale issue du galet forgé et sur sa stabilité en température. Ensuite, le comportement mécanique du TA6V est étudié de 20°C à 600°C en traction, mettant en évidence une sensibilité de la contrainte d’écoulement à la vitesse de déformation dépendant de la température. Ce comportement est mis en lien avec le phénomène de vieillissement dynamique. La caractérisation du comportement mécanique est poursuivie par une campagne étendue de fluage de 20°C à 600°C pour différents niveaux de contraintes (de 0,3 à 1 fois la limite d’élasticité en traction). Ces essais montrent différents comportements en fonction de la température. La matière déformée en traction et en fluage est analysée en microscopie électronique en transmission afin d’apporter des informations sur les mécanismes de déformation gouvernant les différents comportements de l’alliage. Les campagnes de caractérisation en traction et en fluage ont permis d’établir un modèle de comportement viscoplastique du TA6V de 20°C à 600°C validé par l’ajustement des résultats obtenus à l’issue d’essais thermomécaniques complexes avec la simulation de ces essais par éléments finis. La corrélation des résultats en traction et en fluage et la détermination des mécanismes de déformation conduit à une discussion sur le comportement viscoplastique du TA6V, pour finalement aboutir à une proposition de modélisation du fluage du TA6V de 20°C à 600°C. Le modèle permet de reproduire qualitativement des courbes de fluage à partir de la sensibilité à la vitesse de déformation mesurée au cours d’essais de traction. / Classical life time of aeronautic parts lasts several decades. However, for some special applications with short life time and without repairs or recovery of parts, material design is tailored “close to real needs”. This justifies characterization at higher temperatures of well-known alloys and not developing new alloys. The study presented in this manuscript is included within this frame of short life applications. Forged Ti-6Al-4V (Ti-64) alloy with a bimodal microstructure is the most common titanium alloy in aeronautic and is usually limited below 350°C applications during classical life time. In order to use this alloy during a ten hour application, this thesis consists in characterizing Ti-64 from 20°C to 600°C. In a first time, characterization is focused on initial metallurgical state coming from a forged billet and on its thermal stability. Then, mechanical behavior of Ti-64 is studied by tensile testing from 20°C to 600°C, highlighting strain rate sensitivity (SRS) of flow stress. SRS is depending on temperature. This dependency is usually due to dynamic strain ageing phenomenon. Mechanical behavior characterization continues with creep testing from 20°C to 600°C for several stress levels (from 0.3 to 1 time yield stress values). Different behaviors versus temperature are revealed. Deformed samples by tensile testing and creep testing are analyzed by transmission electronic microscopy to bring information about deformation mechanisms controlling the different behaviors of the alloy. Thanks to tensile and creep testing, a viscoplastic modeling of Ti-64 from 20°C to 600°C has been performed and validated by fitting results from complex thermo mechanical tests with finite elements simulations. Comparison of mechanical behavior with deformation mechanisms leads to a discussion about viscoplasticity of Ti-64, and finally results in a proposal modeling creep behavior of Ti-64 from 20°C to 600°C. The model is able to estimate qualitatively creep curves using strain rate sensitivity measured during tensile tests.