Ce travail de thèse, porte sur le développement d’une technique originale de traitement de surface par jet d’azote cryogénique. Ce procédé a été initialement développé pour le décapage et le nettoyage des surfaces. Il est ici utilisé pour obtenir un durcissement superficiel sans altération ou endommagement de la surface du matériau traité. Sous certaines conditions, dans un premier temps, nous avons appliqué la technique jet d’azote en conditions statiques de traitement afin de cartographier les domaines d’utilisation du jet en fonction des paramètres de procédé (distance de tir et temps d’exposition). On montre, un durcissement superficiel sans endommagement de la surface du matériau cible (acier austénitique AISI 316L). L’influence de la distance à laquelle la surface est traitée (distance de tir) et le temps d’exposition du jet sur l’évolution de la microstructure, le durcissement et l’endommagement en surface de l’acier AISI 316L a été étudiée. Des analyses par microscopie électronique à balayage, des analyses d’images ainsi que des mesures de microdureté ont été effectuées sur les microstructures des surfaces traitées pour quantifier les effets de traitement par jet d’azote. Le durcissement en surface, du essentiellement à la transformation martensitique, est ainsi quantifié selon les conditions d’essai. Dans un second temps, un traitement en conditions cinématiques a été réalisé en vue d’obtenir un durcissement superficiel sans endommagement de matière. Les essais de traitement en conditions cinématiques ont été essentiellement réalisés sur les surfaces d’aciers austénitiques instables, l’AISI 316L et l’AISI 304L et, ponctuellement sur l’acier stable, l’AISI 310s. L’influence de la vitesse d’avance du jet et la pression de consigne sur l’évolution de la microstructure, les fractions de martensites formées et le niveau de durcissement en surface d’aciers AISI 316L et AISI 304L ont été étudiées. Les analyses EBSD, MEB ainsi que les mesures de microdureté réalisées sur les surfaces traitées ont permis de mettre en évidence le lien entre le niveau de durcissement et la quantité de martensite induite. Le durcissement de la surface de l’acier AISI 310s, qui reste très faible comparé à celui d’aciers instables, est le résultat de l’écrouissage de sa phase austénitique. Il a été également montré qu’un traitement avec un double passage du jet conduit à l’amélioration de la microdureté en surface des trois aciers traités / This work focuses on the study of an original surface treatment technique that uses supercritical cryogenic nitrogen jet. This process was initially designed for environmentally friendly surface cleaning, where indeed such gas recycles in the air after operation. In the present work, this technique is implemented for surface hardening use without damage of the surface to be treated. Two types of operation cases are studied: static jet tool impingement, cinematic using jet tool scanning on the top surface. In fact, these two static and cinematic treatment cases can be used in industrial operations. In the first stage, the treatment was performed under static conditions in order to map the domains of use of the process. Variation of the experimental parameters (standoff distance and dwell time - treatment time-) made possible to define several uses of the nitrogen jet. In particular the hardening without any damage of the surface of the material to be treated such as AISI 316L stainless steel. Thus, the influence of the standoff distance and the dwell time on the evolution of surface microstructure and damage and hardening was studied. To quantify the effects of nitrogen jet on the microstructure, SEM (Scaning Electrons Microscope) observations and micro hardness measurements were carried out on the treated surfaces. As a result, for different conditions of treatment, the relationship between hardness and martensite rate during surface transformation process, is shown and plotted. Secondly, we focus on hardening without surface damage. The treatments were essentially carried out on both AISI 316L and AISI 304L metastable stainless steels. The influence of both torch velocity and jet static pressure on the variation of microstructure, martensite fractions and hardening level, was also studied and discussed. Thanks to both SEM/EBSD analysis and micro hardness measurements, the relationship between martensite rate and increase of hardness, is highlighted. It is also established that the treatment using several passes allows to increase the surface micro hardness without damage. Finally, it is found that, for some particular working parameters, the nitrogen jet process can also be used for surface hardening without martensitic transformation

Le phénomène d'injection de charges dans des isolants synthétiques et la distorsion du champ électrique qui en découlent représentent un frein au développement des câbles pour le transport d'énergie électrique sous haute tension continue (HVDC). Les solutions au problème sont le plus souvent recherchées en influant sur la formulation des matériaux, en l'occurrence le polyéthylène. La voie explorée dans cette thèse est une alternative consistant à créer une barrière permettant le contrôle de l'injection de charges dans un film de polyéthylène basse densité (LDPE) sous contrainte électrique. La solution proposée et étudiée consiste à modifier la surface du film polymère en y insérant des nanoparticules métalliques, susceptibles de jouer le rôle de pièges profonds et d'écranter le champ électrique, contrôlant ainsi l'injection. Pour cela, des nanoparticules d'argent (NPs d'Ag) sont déposées et recouvertes d'une matrice semi-isolante organosiliciée de type SiOxCy:H. La couche mince nanocomposite est élaborée par procédé plasma. Son épaisseur totale est d'environ 50 nm. Les nanoparticules sont obtenues par pulvérisation cathodique et la matrice environnante est réalisée avec un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Le procédé d'élaboration est mis en œuvre dans le même réacteur en utilisant une décharge asymétrique RF à couplage capacitif entretenue à 13.56 MHz à basse pression du gaz. Une étude de l'influence des conditions opératoires du plasma sur les caractéristiques des NPs d'Ag et sur la matrice environnante a été réalisée. Les caractéristiques définies des NPs d'Ag sont la densité, la taille moyenne et la dispersion des nanoparticules. Les analyses physico-chimiques et structurales de la couche nanocomposite ont permis de valider la maîtrise de la formation des nanoparticules et de ses propriétés. L'évaluation de l'efficacité du dépôt a permis de définir les caractéristiques essentielles pour un contrôle des phénomènes d'injection de charges. Les analyses du comportement de l'ensemble étudié sous contrainte électrique ont été obtenues par des mesures de distribution de charges d'espace par méthode électroacoustique, de courant et de potentiel de surface. Les résultats montrent que la modification de la surface d'un film polymère par une couche mince nanocomposite contenant des NPs d'Ag enterrées à une profondeur contrôlée de la surface de la matrice organosiliciée permet le contrôle parfait de l'injection de charge dans un film de LPDE sous des niveaux de champ électrique usuels pour les applications HVDC. L'impact des caractéristiques de la couche nanocomposite sur l'efficacité du procédé a été évalué. Cette étude prouve le concept et ouvre la voie de la maîtrise des interfaces pour le contrôle de l'injection de charges dans des isolants polymères. / Charge injection phenomenon in electrically insulating polymers and the resultant electric field distortion remain obstacles to the development of cables for electrical energy transport under high voltage direct current (HVDC). Routes to solve the problem are most often looked for by acting on the material formulation, polyethylene in the present case. As alternative route, we explore in this thesis the possibility to develop a barrier layer allowing fine control of the charge injection in low density polyethylene (LDPE) films. The proposed and further studied solution is to tailor the surface of the polymer film by introducing metallic nanoparticles that would act as deep traps and would produce field screening, thus controlling charge injection. To achieve this, silver nanoparticles (AgNPs) are deposited on the LDPE and covered by a thin organosilicon layers of the type SiOxCy:H. The nanocomposite layer with total thickness of about 50 nm is elaborated in a plasma process. The AgNPs are obtained by sputtering of a silver target and the organosilicon matrix is then deposited in a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The deposition process is realized in the same reactor in the plasma of an asymmetric RF capacitively coupled discharge maintained at 13.56 MHz at low gas pressure. The obtained characteristics for the AgNPs are for their mean size, density and dispersion. The physico-chemical and structural analyses of the nanocomposite layer allowed identifying the plasma operating conditions to control the AgNPs properties. From the evaluation of the efficiency of the AgNPs/organosilicon stack against charge injection, a detailed description of the required properties of the nanocomposite layer for the control of the charge injection phenomenon was derived. The behaviour of the studied structure, nanocomposite layer deposited on the surface of LDPE film, under electrical stress was studied by space charge measurement through the Pulsed Electro-Acoustic (PEA) method, current and surface potential decay measurements. The obtained results show that tailoring the surface of polyethylene film by very thin nanocomposite layer containing AgNPs embedded at a controlled distance from the free surface of the organosilicon matrix permits suppression of charges injection in LDPE films. The impact of nanocomposite layer structure on the efficiency of the barrier effect was evaluated. The mitigation effect is observed up to the typical service electric field for HVDC applications. This study presents a proof-of-concept and opens the way for interface tailoring to control the charge injection in electrically insulating polymers.

Thèse en cotutelle, doctorat en génie du bois et des matériaux biosourcés : Université Laval, Québec, Canada Philosophiæ doctor (Ph. D.) et E Cen Lille Villeneuve d'Ascq, France / Le bois est un matériau composite naturel utilisé, entre autres, dans la finition d'intérieur comme couvre-plancher. Il est apprécié pour son aspect, sa disponibilité et son faible impact environnemental. Cependant, son usage est limité au Canada dans les bâtiments non résidentiels, notamment à cause des risques de propagation des flammes. L'ignifugation du bois regroupe tous les traitements qui lui sont appliqués pour le rendre moins combustible. Les approches traditionnelles d'ignifugation du bois, l'imprégnation et les revêtements, sont consommatrices de matière d'origine fossile et nécessitent parfois l'utilisation de procédés complexes. Afin de réduire l'impact environnemental des traitements, des approches par traitement de surface ont été proposées pour les textiles et ont démontré des résultats très prometteurs. Ces traitements visent à concentrer l'action d'ignifugation à la surface exposée au feu afin de limiter la consommation de matière ainsi que l'impact du traitement sur le matériau et sur l'environnement. Dans le cadre de ce projet, deux traitements de surface ont été étudiés. Tout d'abord, une nouvelle méthode de dépôt de complexes polyélectrolytes a été développée en utilisant l'imprégnation en surface à pression réduite. Les complexes polyélectrolytes ont été lyophilisés dans un premier temps afin d'étudier leurs propriétés. Cette approche nous a permis de mettre en avant l'impact du ratio entre deux polyélectrolytes sur la stabilité thermique du complexe, qui a impacté la performance au feu du bouleau jaune traité (Betula alleghaniensis, Britt). Un faible gain de masse a été identifié comme un facteur limitant la performance au feu et plusieurs approches ont été étudiées pour augmenter celui-ci. La surface du bois a ainsi été activée par délignification et l'ajout d'agents de mouillage dans la solution a augmenté sa mouillabilité. D'autre part, des nanoparticules ont été ajoutées à la formulation, mais les performances n'ont pas été améliorées, les nanoparticules modifiant le mode d'action des complexes polyélectrolytes. En ce qui concerne la seconde approche, le traitement de surface par dépôt plasma jet atmosphérique a été étudié. Plusieurs précurseurs ont été déposés sur de l'érable à sucre (Acer saccharum, Marsh.) et sur de l'érable à sucre préalablement traité avec un primaire d'adhésion photopolymérisé. Cette comparaison a mis en avant l'importance de la préparation de la surface de dépôt sur la performance au feu obtenue. Lorsque les échantillons sont préparés avec un primaire d'adhésion photopolymérisé, un dépôt homogène est obtenu par plasma et ce dernier présente un effet de synergie en ce qui concerne le comportement au feu. / Wood is a natural composite material used in interior finishing as flooring. It is appreciated for its appearance, availability, and low environmental impact. However, its use is limited in non-residential construction because of the risk of fire propagation. Fireproofing of wood considers all treatments applied to wood to make it less combustible. Traditional approaches to fireproof wood, such as impregnation, are fossil fuel, energy, and time consuming. Surface treatment approaches have been proposed for textiles and have shown very promising results limiting the amount of used chemicals and thus its impact on the environment. Indeed, surface treatments aim at concentrating the fireproofing action on the surface exposed to the fire. In this project, two surface treatments were studied. First, a new method for the deposition of polyelectrolyte complexes was developed using surface impregnation at reduced pressure. The performance of a polyelectrolyte deposit was studied on the freeze-dried polyelectrolyte complexes. This approach allowed us to highlight the effect of the ratio between two polyelectrolytes on the fire performance of yellow birch (Betula alleghaniensis, Britt). Mass gain was identified as a limiting factor to improve the fire performance and several approaches were studied to increase it either by activating the wood surface by delignification or by increasing the wettability of the solution by adding wetting agents. Nanoparticles have also been added to the formulation, but no improvement of the fire performance was noticed. As a second approach, surface treatment by atmospheric jet plasma deposition has been studied. Several precursors were deposited on sugar maple (Acer saccharum, Marsh.) virgin or pretreated with a photopolymerized primer. This comparison highlighted the importance of the preparation method of the substrate in fire performance. Better performance was obtained on samples pretreated with a light-cured primer since in that case a homogenous deposit was obtained and could act as a fire protective barrier.

Un nouveau procédé propre et performant de préparation de surface reposant sur l'utilisation d'un jet d'azote sous très haute pression et basse température est développé. Comparativement aux techniques classiques de préparation de surface, ce nouveau procédé apporte des avantages environnementaux (pas de génération de déchets additionnels), techniques (modes d'action sur le revêtement à traiter) et énergétiques (consommation d'énergie). Cependant, le fonctionnement du procédé de traitement de surface en question, qui existe sous forme de prototype à l'heure actuelle, repose sur des bases empiriques et les phénomènes physiques qu'il met en jeu sont encore bien mal appréhendés. Pour comprendre ces phénomènes et les modéliser, une analyse numérique est présentée. Cette analyse s'inclut dans une stratégie d'étude qui vise à augmenter progressivement le degré de complexité de la modélisation. Un premier modèle vise à décrire l'évolution du fluide en temps et en espace en supposant un écoulement compressible visqueux et axisymétrique. Dans ce modèle, le fluide est considéré comme parfait. Une extension directe de ce modèle est ensuite présentée, elle propose de tenir compte des effets de fluide réel dans l'écoulement compressible monophasique. Ces modèles sont implémentés dans un code de calculs par volumes finis. Des cas tests sont étudiés afin de valider les modèles numériques. Une étude sur des configurations de type industrielles, représentatives des conditions d'utilisation du procédé de traitement de surface par jet d'azote, est ensuite menée / A new and efficient process of surface treatment is developed and exists in prototype form at present. The process aims at injecting an inert gas, such as nitrogen, at supercritical conditions through a nozzle. The jet resulting from the expansion of the fluid at high pressure and supercritical temperature impinges normally a flat surface. Alternatively to water jet technologies, which need expansive purification of water after use, and to other classical surface treatment process, this process provides environmental (no generation of additional waste), technical (action on the coating) and energetical (efficiency) benefits. However, the physical phenomena involved in the jet are still poorly understood at present. To understand and model these phenomena, numerical analysis is presented. This analysis is part of a study strategy that aims at gradually increasing the complexity of modeling. A first model aims at describing the evolution of the fluid in time and space, assuming a compressible axisymmetric viscous flow. In this model, the fluid is assumed perfect. A direct extension of this model is then presented where real fluid effects are taken into account in the compressible flow. These models are implemented in finite volume CFD code. Test cases are studied to validate the numerical models. A study of industrial-type configurations, representative of the conditions of use of the process of surface treatment by nitrogen is then conducted

Les matériaux polymères ont connu un essor considérable dans le milieu du bâtiment depuis de nombreuses années, du fait d'un large panel de propriétés. Ces matériaux sont cependant très sensibles à la température et peuvent être facilement inflammables, permettant le développement d'un incendie. Du fait de la mise en place de normes de plus en plus strictes, relatives à la sécurité vis-à-vis d'un feu, il est nécessaire de mettre au point des systèmes retardateurs de flamme de plus en plus performants.Le premier objectif de la thèse est d'étudier les mécanismes retardateurs de flamme de composites EVA/ATH, et en particulier l'effet barrière. La notion de compacité de la couche de particules a pu être mise en évidence via l'essai de compression oedométrique. La mesure de la résistance à la compression d'une poudre, ou d'un mélange, permet d'estimer l'efficacité de l'effet barrière dans le cas de composites EVA/ATH.Le second objectif s'est concentré sur la caractérisation de nouvelles charges pouvant améliorer le comportement au feu de l'EVA. Dans un premier temps, de la diatomite a été introduite, jouant le rôle d'agent de synergie avec l'ATH. Dans un second temps, de la colémanite et des fondants broyés ont été introduits afin d’améliorer la cohésion de la couche barrière et du résidu de combustion par vitrification. La colémanite s’est révélée être un retardateur de flamme efficace, du fait de la libération d’eau de façon endothermique, et d’une vitrification à haute température. Dispersés dans la masse, les fondants perturbent la formation de la couche barrière du fait de la coagulation des particules. En tant que couche supérieure d’un système coeur-peau, le fondant vitrifie lors du refroidissement de l’échantillon, assurant la cohésion du résidu, ainsi qu’un rôle de suppresseur de fumées.Finalement, le dernier objectif de la thèse est de traiter des ATH, afin d’améliorer les propriétés mécaniques et retardatrices de flamme de l’EVA. Des molécules de greffage ont été réalisées à partir de MAPC1. La présence d’un copolymère p(MMA-co-MAPC1(OH)2) à la surface des particules homogénéise la dispersion de l’ATH dans la matrice EVA, améliorant les propriétés d’allongement à la rupture du composite. Un homopolymère p(MAPC1(OH)2) permet également d’améliorer la dispersion et l’allongement à la rupture. De plus, les groupements phosphorés présents le long de la chaîne semblent capables d’agir en phase condensée en tant que promoteur de charbonnement, ainsi qu’en phase gazeuse par le biais de radicaux réactifs. / Polymeric materials are booming for many years in the building industry, due to a wide range of properties. However, those materials are particularly heat sensitive and may be easily flammable, contributing to the development of a fire. Because of the implementation of more strict standards related to fire safety, the elaboration of more and more efficient fire retardant systems is necessary.The first goal of this thesis is to study the fire retardant mechanisms of EVA/ATH composites, and particularly the barrier effect. The role of the packing fraction of the particles layer was assessed used the oedometric compression test. The measurement of the resistance to compression of a powder, or a combination, can be used to estimate the efficiency of the barrier effect for EVA/ATH composites.The second goal has focused on the characterization of new fillers in order to improve the fire behavior of the EVA copolymer. Firstly, diatomite was introduced as a synergistic agent with ATH. In a second time, ground colemanite and glass frits were introduced in order to improve the cohesion of the barrier layer and the residue of combustion by vitrification. Colemanite seems to be an efficient fire retardant, because of the endothermic reaction associated with the release of structural water, and a vitrification at high temperature. When the glass frits are introduced in EVA/ATH composites, the formation of the barrier layer is disrupted because of the coagulation of particles. As an upper layer in a skin-core structure, the glass frit vitrifies during the cooling of the sample, improving the cohesion of the residue and acting as a smoke suppressor.Finally, the last goal of this thesis was to functionalize ATH, to improve mechanical and fire retardant properties of EVA. Surface treatment molecules were synthetized, based on a phosphonated monomer, the MAPC1. The presence of a p(MMA-co-MAPC1(OH)2) copolymer at the surface of particles improves the filler dispersion in the matrix, enhancing the elongation at break. The grafting using a p(MAPC1(OH)2) homopolymer also improves the filler dispersion and the elongation at break. Moreover, the phosphorus based functions along the molecular chain, seem to act in condensed phase as a char promoter, and in gaseous phase by means of reactive radicals.

Cette thèse vise à étudier le comportement multiéchelle (nano-, micro- et macroscopique) des composites, basé sur une étude fine utilisant les techniques les plus modernes pour comprendre les interfaces et les quantifier. Deux séries de renforts sur une échelle micrométrique, des fibres de carbone (CF) et des matériaux à base de graphène ont été utilisées ici. Pour améliorer l'interaction entre les nanorenforts et la matrice polymère, deux voies principales ont été utilisées dans cette thèse : l'oxydation des renforts et la greffe de nanotubes de carbone sur leur surface.L'étude en elle-même a été menée à une échelle microscopique pour étudier la résistance interfaciale entre une fibre de carbone (CF) et la matrice époxy, avec des essais de traction effectués in situ dans la chambre d'un microscope à double colonne MEB-FIB (microscope électronique à balayage couplé à un faisceau d'ions focalisé). Le faisceau d'ions a été utilisé pour découper une éprouvette de traction du composite contenant à la fois de l'époxy et de la CF. Le champ de tractiona été appliqué via le nanomanipulateur et l'essai a été observé via les deux colonnes ionique et électronique (sous deux angles de vue différents) et a permis d'estimer le champ de déformation, et donc la résistance interfaciale au moment de la rupture. Une expérience similaire a été menée sur un composite où les renforts sont des nanoplaquettes de graphène.Enfin, l'étude en microscopie électronique en transmission de la région de l'interface entre l'époxy et les renforts a révélé la présence d'une interphase et a permis de mesurer son épaisseur et donner une indication de sa nature. À cette fin, une analyse EELS (spectroscopie par pertes d'énergie des électrons) a été effectuée, permettant de mesurer la densité de l'échantillon très localement (taille de sonde de l'ordre du dixième de nanomètre) en travers ou parallèlement à l'interface. Un scénario sur les modes de liaison chimique entre les deux milieux en fonction du traitement de surface utilisé permet d'expliquer la nature des interphases observées. / This thesis aims to investigate the multiscale (nano-, micro-, and macro-scopic) behavior of the composites based on a fine investigation using the most modern techniques, to understand the interfaces and to quantify them. Two series of reinforcements on a micrometer scale, carbon fibers (CFs) and graphene-based materials, were studied here. To improve the interactions between these nanofillers and the surrounding polymer matrix, two major routes were used in this thesis: the oxidation of the fillers and the grafting of carbon nanotubes on their surface.The study itself was conducted on a microscopic scale on the interfacial strength between CFs and the epoxy matrix, with tensile tests carried out in-situ in the chamber of a double-column FIB-SEM microscope (scanning electron microscope coupled to a focused ion beam). The ion beam was used to mill a thin bond-shaped tensile specimen of composite containing both an epoxy and a CF part. Thetensile stress field was applied using the nanomanipulator and the test was observed both via the ionic and the electronic columns (with two different angles of view) to estimate the strain field, hence the interfacial strength when the failure is observed. A similar experiment was led on a composite with GNPs.Finally, the transmission electron microscopy (TEM) study of the interface region between the epoxy and the graphene-based nanofillers revealed the existence of an interphase and allowed to measure its thickness and give an indication of its nature. For this purpose, an EELS (electron energy-loss spectroscopy) analysis was carried out, making it possible to measure the density of the sample very locally (probe size of the order of a tenth of a nanometer) across or parallelly to an interface. A scenario on the chemical bonding modes between the two media as a function of the surface treatment used makes it possible to explain the nature of the observed interphases.

Les procédés de traitement de surface tels que le grenaillage sont utilisés pour introduire des contraintes résiduelles de compression dans les matériaux métalliques. Cela permet de prévenir l'initiation et la propagation des fissures afin d'augmenter la durée de vie en fatigue des pièces mécaniques. Les limites et inconvénients des procédés actuels généralement utilisés pour cette fin sont connus et ont été mis en avant dans plusieurs études. Il s'agit d'une modification importante de l'état de surface (rugosité), une profondeur traitée limitée, des difficultés de mise en œuvre, etc. Aussi, de nouveaux procédés permettant d'obtenir des résultats équivalents voire meilleurs tout en évitant ces problèmes suscitent un intérêt grandissant. Le traitement de surface par cavitation (cavitation peening) et la mise en compression par impulsions électromagnétiques font partie de ces procédés innovants dont la modélisation a fait l'objet de cette thèse. Le traitement de surface par cavitation consiste à générer un jet d'eau submergé contenant des bulles de cavitation et dirigé vers la surface à traiter. La principale difficulté dans la modélisation du cavitation peening est la détermination du chargement mécanique sur la surface provenant de l'implosion des bulles de cavitation. L'effondrement des bulles peut se faire de manière sphérique ou non-sphérique suivant leur proximité de la paroi solide. Des modèles analytiques et numériques ont donc été élaborés pour étudier la dynamique des bulles et déterminer l'onde de pression due à une bulle sphérique d'une part, et la pression d'impact du micro-jet (bulle asphérique) d'autre part. Ces deux types de sollicitations ont été comparés et un modèle macroscopique pour le traitement par cavitation a été dérivé, en s'appuyant sur une simulation numérique du jet de cavitation. Une comparaison avec des résultats expérimentaux a été effectuée et a montré la pertinence du modèle proposé. En ce qui concerne le traitement par impulsions électromagnétiques, il consiste à générer un puissant champ magnétique transitoire par induction dans la pièce de matériau conducteur. Les contraintes résiduelles proviennent de la déformation plastique créée par les forces de Laplace à l'intérieur du matériau. Un modèle numérique couplant l'électromagnétisme et la mécanique des solides a été mis en place pour la simulation du procédé. Grâce à une étude d'optimisation, ce modèle a permis d'obtenir les paramètres électriques nécessaires pour arriver à mettre en compression des matériaux de type alliage de base nickel ou d'aluminium par cette méthode. Les profondeurs de la mise en compression calculées sont théoriquement par calcul plus élevées que celles obtenues avec les méthodes classiques de traitement de surface. Une étude de l'influence des différents paramètres a été faite et a montré que le procédé peut être contrôlé de manière relativement aisée en variant l'intensité et la pseudo-fréquence du courant traversant l'inducteur. / Surface treatments methods like shot peening are used to introduce compressive residual stresses in metallic materials. The compressive stresses prevent the initiation and growth of cracks and hence improve the fatigue life of mechanical parts. The drawbacks and limitations of the existing processes generally used for this purpose are known and have been highlighted in many studies. These are, among others, an important surface modification (roughness), a limited compressive depth, difficulties in execution, debris and contamination problems, etc. Therefore, the interest in new surface treatment methods, which permit to obtain equivalent or even better compressive results while avoiding the previous problems, are growing. Cavitation peening and electromagnetic pulse peening are part of these innovative processes which modeling is the aim of this PhD thesis. Cavitation peening is a process of surface treatment which acts by the generation of cavitation bubbles near the workpiece surface. The modeling of this process is challenging because of the complexity of cavitation phenomenon and the main problematic point is the determination of the mechanical loading on the material due the bubbles collapse. In this thesis, an approach of modeling for cavitation peening based on the study of the dynamics of cavitation bubbles is proposed. Spherical and aspherical collapse of bubbles near a solid surface are studied by some numerical and analytical models. These two sources of loading pressures have been compared and a macroscopic model for cavitation peening have been derived by associating the numerical simulation of the cavitation jet and the localization of the cavitation zone. The comparison between the final residual stress profile calculated with the proposed model and the experimental results were satisfactory. Electromagnetic pulse peening (EMP) is a contactless process of surface treatment which could be used to introduce compressive residual stresses in conductive materials, by the generation of a high transient electromagnetic field. Laplace forces induced in the material by magnetic induction are the source of the material plastic deformation and compressive residual stresses introduction. To predict the EMP results, a numerical model have been built for the process simulation. The model, based on finite element method, coupled successfully electromagnetic and mechanical phenomena by using a sequential-coupled approach. It was proven theoretically, by the study of a reference case, that compressive residual stresses could be induced in metallic materials like nickel-based (Inconel) or aluminum alloys by the means of the present process. It was also shown by the calculations that much higher compressive depths than those of conventional peening processes could be achieved. The parametric study exhibited the influence of the maximum current intensity and frequency which affect both the compressive depth and the maximum residual stress.

La fragilité reconnue des fixations mécaniques conduit à limiter leur utilisation à 1000 MPa afin d'éviter les risquesde rupture fragile par hydrogène, que celui-ci soit d'origine interne ou externe. Connue sur des produits plats defaible épaisseur (clips), la microstructure bainitique obtenue lors de la trempe dans un bain de sels ne présente pasde fragilité liée à l'hydrogène. Cette étude vise à apporter aux industriels les connaissances nécessaires àl'application de ce procédé à des pièces massives.Au-delà de sa résistance à l'hydrogène, seule la microstructure constituée de bainite inférieure peut satisfaire auxexigences de propriétés mécaniques attendues dans les fixations. L'outil d'optimisation de la composition chimiquede l'acier créé permet d'intégrer les critères propres à la transformation de l'austénite en bainite inférieure partrempe isotherme dans un bain de sels mais aussi de prendre en compte l'aptitude de l'acier à être déformé à froidaprès un recuit d'adoucissement préalable.La caractérisation de la sensibilité à l'hydrogène faite sur des goujons après chargement à saturation en hydrogènemontre qu'à 1370 MPa, l'acier à structure bainitique ne présente pas de rupture fragile par l'hydrogène comparé aumême acier à structure martensitique revenue qui est systématiquement fragile. En parallèle, parmi les alliagesternaires Al-Zr-Zn déposés par un procédé de dépôt physique en phase vapeur, il a été possible d'identifier unenuance sacrificielle dont l'effet protecteur vis-à-vis des fixations devra encore faire l'objet d'investigations. / In the objective to prevent brittle fracture due to hydrogen (internal or external origins), the usages of mechanicalfastening parts is restricted above 1000 MPa. As already experienced on low-thickness flat products (clips), thebainitic microstructure generated by salt bath quenching is not subjected to hydrogen embrittlement. The target ofthe present study consists in setting up the required knowledge to extend this process to massive parts.In addition to its resistance to hydrogen, only the lower-bainite microstructure is able to meet the mechanicalpropertyspecifications for fasteners. The optimization tool developed in the present framework, has been designedto integrate the particularities of the austenite to lower bainite transformation in salt bath, as well as the ability tosustain cold forming after annealing treatment.A set of mechanical characterizations has been performed on hydrogen saturated bolts. Under a load of 1370 MPa,the bainitic structure has not shown any sign brittle fracture, while it has systematically been the case for thetempered martensitic structure. Furthermore, among the ternary alloys Al-Zr-Zn that can be deposed in vapor phase,a sacrificial grade presenting a protection effect has been identified. However, this effect must be furtherinvestigated, in order to determine the interest for fastening applications.

Les revêtements organiques déposés en surface de tuyaux en fonte ductile ont pour vocation d’assurer une protection (notamment la résistance chimique, la tenue à la corrosion) vis-à-vis des effluents agressifs transportés. Pour assurer l’adhérence entre le revêtement (époxy) et son substrat, une préparation de surface est souvent nécessaire. Parmi les procédés conventionnels, le grenaillage est la solution la plus utilisée. Simple à mettre en œuvre et d’efficacité prouvée, il permet d’assurer le décapage de la surface tout en générant une rugosité adaptée. Si la solution est approuvée, des questions subsistent néanmoins quant à l’influence respective de la topographie et de la physico-chimie des surfaces. De plus, encouragées par les nouvelles réglementations environnementales, de nouvelles techniques de préparation de surface se développent.Le travail présenté s’est alors attaché à évaluer l’effet de nouvelles techniques de préparation comme le laser de structuration et le jet d’eau à ultra haute pression à comparer à d’autres procédés conventionnels tels que le brossage et le sablage. Ces nouvelles alternatives vont permettre alors de mieux comprendre l’influence du décapage et de la rugosité de surface avant la mise en peinture.Enfin, les différents résultats obtenus ont été alors spécifiquement analysés pour permettre la compréhension des phénomènes ou mécanismes d’adhésion se produisant à l’interface du couple époxy/substrat, d’un point de vue mécanique et physico-chimique. Divers moyens d’analyses ont alors pu être mis en œuvre pour caractériser les surfaces d’un point de vue morphologique (ratio de surface) et chimique (spectroscopies Raman et photoélectronique à rayons X (XPS)) pour évaluer la tenue interfaciale (test de traction adhérence). / Organic coatings applied on the surface of cast iron pipes ensure very good chemical and anti-corrosion protection against aggressive effluents. To improve adherence between coating (epoxy) and substrate, a surface preparation is required. Among conventional processes shot blasting has emerged as the most efficient and cheapest solution for ensuring stripping while generating adapted roughness. However, as it may enhance both mechanical anchorage and chemical bonding a better understanding of these phenomena should be developed. Besides new eco-friendly alternatives were investigated.Indeed, new techniques were evaluated, i.e. laser structuring and an ultra-high pressure water jet whose major benefits are understanding the effect of ablation and surface roughness prior to applying a coating. Moreover, two other conventional processes (sand blasting and brushing) were introduced to obtain a various roughness.Results obtained were then analyzed to further understand bonding mechanisms at the interface.Several processes were then implemented to evaluate the surface morphology as well as the surface chemistry (spectroscopy Raman and XPS) correlated to the adhesion mechanisms

Les céramiques bioinertes (zircone, alumine), sont utilisées dans des dispositifs médicaux pour l’orthopédie et l’odontologie. Leurs surfaces peuvent avoir plusieurs fonctions : fixation du dispositif dans le milieu vivant (ex : implants dentaires), rôle tribologique (prothèses articulaires)… Dans tous les cas, ces surfaces sont traitées pour maximiser leur performance, mais ces modifications peuvent entrainer des conséquences négatives. Ainsi, le 2e chapitre montre qu’introduire de la rugosité par sablage joue sur l’intégrité mécanique et sur la stabilité à long terme de l’alumine, de la zircone et d’un composite alumine-zircone. Par ailleurs, dans les prothèses articulaires, la lubrification joue un rôle fondamental pour minimiser l’usure et donc augmenter la durée de vie moyenne des implants, permettant en outre de favoriser l’adsorption de protéines réduisant le contact direct entre les deux surfaces glissantes. La chimie des surfaces (y compris la présence de contamination) peut modifier ces aspects. Dans le 3e chapitre de ma thèse j’ai étudié l’effet de la contamination et des différentes techniques de nettoyage permettant de la réduire sur la mouillabilité des matériaux typiquement utilisés dans les prothèses de hanche, et sur l’adsorption de protéines à leurs surfaces. Finalement, les cellules utilisent les protéines en surface comme points de fixation et identification. Les implants avec une surface capable de recruter plus de protéines aidant à l’adhésion des cellules auront plus des chances d’être intégrés que des implants recrutant des protéines qui empêchent l’adhésion. Dans le 4e chapitre, j’ai exploré un nouveau concept de modification de surface de la zircone consistant en un greffage d’organosilanes directement sur sa surface, de manière à prouver le potentiel de cette technique à améliorer l’ostéointegration sans diminuer la performance mécanique. / Bioinert ceramics (zirconia, alumina) are used in medical devices in orthopedics and dentistry. Their surfaces may provide different functions: fixation of the device in the living tissue (e.g. dental implants), tribological role(joint substitutions),… In all cases the surfaces are treated to maximize their performance, but this modifications may entail negative consequences. The use of roughness to promote osseointegration of implants is a common practice, especially on dental implants. Roughening is often conducted by mechanical treatments, the most common being sandblasting. Therefore, chapter 2 focus on the implications of roughening by sandblasting on the mechanical behaviour of zirconia, alumina and a zirconia-alumina composite, and the differences between them. The work brought in chapter 3 was carried out entirely during a six-month secondment at CeramTec GmbH. In a bearing couple, lubrication mechanisms are complex and wettability and proteins play a yet-to understand role. The study compared the wettability of different materials, their ability to welcome protein adsorption and the effect of different cleaning procedures on wettability measurements and protein adsorption. Finally, the influence of the surface on cell activity is not driven exclusively by roughness: chemical modifications of the surface may enhance the perception of cells for the surface, and by careful tuning of the surface properties one may achieve a better integration without the downsides of roughness. In chapter 4, we explored a novel modification of zirconia, based on known techniques in chemistry, which introduces molecules with special functional groups capable of rendering the surface friendlier for cell adhesion, and opening the window for new exciting developments in the field of bioinert ceramics.