Laser-based additive manufacturing is inherently associated with extreme, unprecedented, and rapid thermokinetics which impact the microstructural evolution in a built component. Such a unique, near to non-equilibrium microstructure/phase evolution in laser additively manufactured metallic components impact their properties in engineering application. In light of this, the present work investigates the unique microstructural traits as a result of process induced spatial and temporal variation in thermokinetic parameters in laser directed energy deposited CoCrMo biomedical alloy. The influence of such a unique microstructural evolution in laser directed energy deposited CoCrMo on electrochemical response in physiological media was elucidated and compared with a conventionally manufactured, commercially available CoCrMo component. Furthermore, while investigation of the electrochemical response, such a microstructural evolution in laser directed energy deposited CoCrMo led to in-situ surface modification of the built components in physiological media via selective, non-uniform electrochemical etching. Such in-situ surface modification resulted in enhanced biocompatibility in terms of mammalian cell growth, cell-substrate adhesion, blood compatibility, and antibacterial properties indicating improved osteointegration, compared to a conventionally manufactured, commercially available CoCrMo component.

Ce travail porte sur le développement de nouvelles méthodes de mesure permettant la caractérisation de réactions chimiques très exothermiques dans des conditions de sécurité. Pour cela, nous souhaitons combiner l’analyse thermique des réactions et la technologie microfluidique. L’utilisation de la microfluidique rend possible l’utilisation de très faibles volumes réactionnels limitant ainsi tout risque lié à la dangerosité des réactions explosives. Le premier appareil développé est un microcalorimètre qui mesure le flux de chaleur global dégagé lors d’un écoulement co-courant ou gouttes. Plusieurs paramètres peuvent être déterminés : enthalpie de mélange et de réaction, concentration par dosage calorimétrique et cinétique. Le deuxième dispositif consiste à mesurer le champ de température du milliréacteur isopéribolique à l’aide d’une caméra InfraRouge et ainsi de suivre localement l’évolution de la réaction pour déterminer les paramètres thermocinétiques. / This work deals with the development of new measurement methods in order to characterize high exothermic chemical reactions in safe conditions. Thus, we combine thermal analysis with microfluidic technology. The use of microfluidics allows to manipulate a very small amount of product safely. First, we have developed a microcalorimeter to measure the global heat flux produced in co-flow or droplet-flow configurations. Several parameters can be determined: reaction and mixing enthalpy, concentrations by calorimetric titration and kinetics. The second method uses an InfraRed camera to measure the temperature field of the isoperibolic millireactor. Then, the local evolution of the reaction is estimated by thermal processing. From such inverse methods, the thermokinetic parameters can be determined.

Les matériaux composites à matrice céramique (CMCs) à matrice auto-cicatrisantes (MAC) sont développées depuis plusieurs années pour leurs possibilités d'application dans le domaine de la propulsion aéronautique où ils se révèlent trés intéressants en termes de résistance à des conditions sévères et de légèreté. Dans le cadre d'un programme d'étude du comportement des CMC-MAC et de leurs mécanismes d'endommagement, l'objectif de ces travaux est de construire un modèle numérique multi-physique permettant de déterminer la durée de vie d'un échantillon d'un tel matériau soumis à une contrainte mécanique dans un environnement oxydant. L'étude porte sur la mise en place d'un couplage entre deux codes de calcul : un code d'endommagement mécanique et un code physico-chimique qui a été développé au cours de cette thèse. De façon inédite, on se place dans la géométrie 2D d'un plan de fissure, partant d'une image détaillée de l'arrangement des constituants (fibres, interphases, matrice multi-couche). Les différentes parties du programme ont été validées indépendamment et des résultats du calcul complet sont présentés et discutés. / Self-Healing Ceramics Matrix Composites (HT-CMC) are developed since several years for theirapplication in aeronautic applications and are interesting for their good resistance to criticalenvironments. As part of a study program of the HT-CMC behavior and their damagemechanisms, the objective of this thesis is to build a multi-physics numerical model todetermine the lifetime of a sample such a material subjected to a mechanical stress in anoxidizing environment. The study focuses on the establishment of a coupling between twocomputer codes: a code of mechanical damage and a physical-chemical code that wasdeveloped during this thesis. In an unprecedented way, we place ourselves in the 2D geometryof a crack plane, starting from a detailed picture of the arrangement of the components (fiber,interphase, multi-layer matrix). The different parts of the code have been independentlyvalidated and the results of the complete calculation are presented and discussed.

L’utilisation de procédés de type voie liquide (RTM, LRI) pour l’élaboration de composites thermoplastiques est une des voies prometteuses pour pallier les limitations liées à la haute viscosité des polymères thermoplastiques. Pour cela, la matrice est obtenue par polymérisation in situ de son monomère de faible viscosité après l’imprégnation du renfort fibreux. Cette étude s’est focalisée sur le polyamide 6 (PA6) obtenu par polymérisation anionique par ouverture de cycle de l'ε-caprolactame. La particularité de cette synthèse réside dans le couplage entre la polymérisation des chaînes et leur cristallisation, qui sont des phénomènes tous deux thermodépendants, exothermiques et régissant la viscosité du milieu réactif. La caractérisation cinétique par DSC de ce couplage a permis une meilleure compréhension de l'interaction des phénomènes, en révélant notamment une cinétique de cristallisation particulière à basse température. Cette base de données, complétée par l’étude des propriétés physico-chimiques du PA6 synthétisé, a permis d'alimenter la modélisation des phénomènes. Un nouveau couplage a ainsi été proposé pour rendre compte de la dépendance de la cristallisation à la cinétique de polymérisation et a permis d'éditer des diagrammes Temps-Température-Transformation (TTT) de la synthèse du PA6. En vue de la mise en œuvre de composites thermoplastiques, la simulation du couplage thermocinétique avec un terme source a été réalisée afin de mesurer l’impact de ces phénomènes exothermiques sur les gradients thermiques et cinétiques dans l’épaisseur d’une pièce. Les cinétiques ont de plus été étudiées en présence de fibres de verre et en rhéologie. La présence de fibres engendre un ralentissement de la cinétique de synthèse et le comportement rhéocinétique révèle l’existence d’un point de gel. Ces observations restent à considérer pour simuler l’écoulement du système réactif dans un renfort. / Liquid type processes (RTM, LRI) for thermoplastic composites manufacturing is one of the most promising routes to overcome the limitations due to the high viscosity of thermoplastic polymers. In this process, the matrix is obtained via in situ polymerization of its low-viscosity monomer after impregnation of the fibrous reinforcement. This study focused on polyamide 6 (PA6) obtained by anionic ring-opening polymerization of ε-caprolactam. The distinctive aspect of this reaction resides in the coupling between chains polymerization and their crystallization, both thermo-dependent, exothermic and driving the viscosity of the reactive mixture.The kinetic characterization of this coupling by DSC allowed for a better understanding of phenomena interaction, revealing notably a specific crystallization kinetic at low temperature. This database, complemented by a study of physicochemical properties of synthesized PA6, has been used to model the underlying phenomena. A new coupling equation has been proposed to take into account the crystallization dependence on the polymerization kinetic, allowing to edit Time-Temperature-Transformation (TTT) diagrams of the PA6 synthesis. Simulations of the thermokinetic coupling with a source term have been performed, highlighting the impact of these exothermic phenomena on thermal and kinetic gradient in the thickness of a part. To reproduce the conditions of the composite manufacturing process, kinetics have also been studied in the presence of glass fibers and in a rheometer. The presence of fibers leads to slower kinetics and the rheokinetic behavior revealed gelation. These observations have to be considered to simulate the reactive system flow in a reinforcement.