Les systèmes barrière thermique actuels connaissent une importante dispersion de durées de vie liée principalement aux ondulations de surface du revêtement métallique β-(Ni,Pt)Al provoquant l’écaillage du dépôt céramique. Les revêtements γ-γ’ riches en platine sont étudiés en tant qu’alternative au système actuel. Ce travail de thèse s’est intéressé à l’élaboration des revêtements γ-γ’ riches en platine sur un superalliage à base de nickel, l’AM1 à partir de procédés conventionnels : dépôt électrolytique de platine et aluminisation courte. Les mécanismes de dégradation par oxydation cyclique à 1100°C ont été étudiés sur des systèmes revêtement/AM1 et sur des systèmes barrière thermique. Pour comparaison, trois types de revêtement ont été élaborés : γ-γ’ Pt seul, γ-γ’ Pt+Al et β-(Ni,Pt)Al. Ces essais ont mis en évidence une meilleure tenue à l’oxydation cyclique des systèmes revêtus γ-γ’ Pt+Al comparée aux deux autres systèmes revêtus. L’importance de l’ajout d’aluminium dès l’élaboration sur la tenue à l’oxydation cyclique a été soulignée. La modélisation p-kp a mis en avant une augmentation de la proportion d’écaillage au cours du temps du fait de la dégradation de l’interface métal/oxyde et une augmentation du kp du fait de la formation d’un oxyde à croissance plus rapide. Outre l’oxydation, les phénomènes d’interdiffusion lors des tous premiers instants à haute température ont été étudiés à partir de matériaux modèles (Ni13Al et Ni11Al10Cr) et de revêtements de Pt et/ou de Pt-Ir. Ces essais ont mis en avant la rapide formation de la phase α-NiPtAl, les transformations de phases et les chemins de diffusion à 1100°C dans les systèmes Ni-Al-Pt et Ni-Al-Cr-Pt. L’effet du chrome et de l’iridium sur les cinétiques de diffusion a été évalué. La modélisation de l’interdiffusion a mis en évidence les interactions chimiques entre les espèces et une sursaturation en lacunes dans la zone d’interdiffusion prouvant que l’effet Kirkendall est responsable de la formation des pores. / TBC systems currently used in aircraft engines with a Pt-modified aluminide coating β-(Ni,Pt)Al show an important lifetime dispersion due to the surface undulations of the bond-coating. This phenomenon called rumpling leads to the ceramic scale spallation and is the most common degradation mechanism. Pt-rich γ-γ’ bond-coatings have been extensively studied for their corrosion and oxidation resistance, and as a lower cost alternative to β-(Ni,Pt)Al bond-coatings. The aim of this work was to fabricate Pt-rich γ-γ’ bond-coatings on a first generation Ni-based superalloy, the AM1. Conventional processes were used as a platinum electroplating and a short aluminizing step. The failure mechanisms occurring by cyclic oxidation at 1100°C were studied on coating/superalloy systems and on TBC systems. Three kinds of coatings were fabricated: Pt-only γ-γ’, Pt+Al γ-γ’ and β-(Ni,Pt)Al. These tests highlighted the best oxidation resistance for the Pt+Al γ-γ’/AM1 systems when compared with the two other systems. Al addition during the coating fabrication is necessary to improve the lifetime. The p-kp modeling results pointed out that the oxide scale spalling probability p increases due to the metal/oxide interface degradation with time. If the spallation increases, a breakaway locally occurs with the formation of a fast-growing oxide explaining the kp progression. The interdiffusion phenomena were also investigated during the first times at high temperature from model alloys (Ni13Al and Ni11Al10Cr) and Pt and/or Pt-Ir coatings. These investigations emphasized the rapid formation of the α-NiPtAl phase, the phase transformations and diffusion paths at 1100°C in the ternary Ni-Al-Pt and quaternary Ni-Al-Cr-Pt systems. Chromium and iridium effect was evaluated on the diffusion kinetics. Interdiffusion modeling highlighted the chemical interactions between the species and a vacancy supersaturation in the interdiffusion zone proving that Kirkendall effect is responsible for void formation.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Zirconia (ZrO2) is an important ceramic material with a broad range of applications. Due to its high melting temperature, low thermal conductivity, and high-temperature stability, zirconia based ceramics have been widely used for thermal barrier coatings (TBCs). When TBC is exposed to thermal cycling during real applications, the TBC may fail due to several mechanisms: (1) phase transformation into yttrium-rich and yttrium-depleted regions, When the yttrium-rich region produces pure zirconia domains that transform between monoclinic and tetragonal phases upon thermal cycling; and (2) cracking of the coating due to stress induced by erosion. The mechanism of erosion involves gross plastic damage within the TBC, often leading to ceramic loss and/or cracks down to the bond coat. The damage mechanisms are related to service parameters, including TBC material properties, temperature, velocity, particle size, and impact angle. The goal of this thesis is to understand the structural and mechanical properties of the thermal barrier coating material, thus increasing the service lifetime of gas turbine engines. To this end, it is critical to study the fundamental properties and potential failure mechanisms of zirconia. This thesis is focused on investigating the structural and mechanical properties of zirconia. There are mainly two parts studied in this paper, (1) ab initio calculations of thermodynamic properties of both monoclinic and tetragonal phase zirconia, and monoclinic-to-tetragonal phase transformation, and (2) image-based finite element simulation of the indentation process of yttria-stabilized zirconia. In the first part of this study, the structural properties, including lattice parameter, band structure, density of state, as well as elastic constants for both monoclinic and tetragonal zirconia have been computed. The pressure-dependent phase transition between tetragonal (t-ZrO2) and cubic zirconia (c-ZrO2) has been calculated using the density function theory (DFT) method. Phase transformation is defined by the band structure and tetragonal distortion changes. The results predict a transition from a monoclinic structure to a fluorite-type cubic structure at the pressure of 37 GPa. Thermodynamic property calculations of monoclinic zirconia (m-ZrO2) were also carried out. Temperature-dependent heat capacity, entropy, free energy, Debye temperature of monoclinic zirconia, from 0 to 1000 K, were computed, and they compared well with those reported in the literature. Moreover, the atomistic simulations correctly predicted the phase transitions of m-ZrO2 under compressive pressures ranging from 0 to 70 GPa. The phase transition pressures of monoclinic to orthorhombic I (3 GPa), orthorhombic I to orthorhombic II (8 GPa), orthorhombic II to tetragonal (37 GPa), and stable tetragonal phases (37-60 GPa) are in excellent agreement with experimental data. In the second part of this study, the mechanical response of yttria-stabilized zirconia under Rockwell superficial indentation was studied. The microstructure image based finite element method was used to validate the model using a composite cermet material. Then, the finite element model of Rockwell indentation of yttria-stabilized zirconia was developed, and the result was compared with experimental hardness data.

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte : les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes : - Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ? - Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ? - Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ? Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium : - Résistance aux contraintes d’origine thermique. - Résistance à la corrosion par les métaux fondus. - Résistance au frottement. L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée. Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations : - Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration : Inasmet). - Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6). Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas : - Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées. - Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu. To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine: - How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties. - How to select individual layers for each group of properties. - How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application. In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations: - Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch). - Presence of corrosive molten metal. - Sliding wear. In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed. For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases: - For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet). - Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6). In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases: - Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits. - A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte :les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes :<p>- Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ?<p>- Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ?<p>- Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ?<p>Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium :<p>- Résistance aux contraintes d’origine thermique.<p>- Résistance à la corrosion par les métaux fondus.<p>- Résistance au frottement.<p>L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée.<p>Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations :<p>- Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration :Inasmet).<p>- Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6).<p>Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas :<p>- Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées.<p>- Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu.<p><p>To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine:<p>- How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties.<p>- How to select individual layers for each group of properties.<p>- How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application.<p>In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations:<p>- Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch).<p>- Presence of corrosive molten metal.<p>- Sliding wear.<p>In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed.<p>For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases:<p>- For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet).<p>- Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6).<p>In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases:<p>- Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits.<p>- A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.<p><p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished