Les nouvelles générations d’avions, tant civils que militaires, sont désormais pleinement engagées dans l’électrification des commandes de vol. Afin d’atteindre les nouveaux objectifs et critères mis en place pour le bon développement de ces actionneurs électro-mécaniques, il est nécessaire d’effectuer des études en amont. Ces études portent principalement sur le comportement mécanique et tribologique des pièces en contact afin d’éviter l’évènement le plus redouté qui est le grippage, au sens blocage irréversible du système. En effet, ces actionneurs électro-mécaniques sont soumis à des sollicitations de chargement vibratoires qui induisent des déplacements de très faibles amplitudes entre les pièces en contact. Ces micro-glissements peuvent induire de l’usure, de la fissuration, de l’écaillage, etc. Pour répondre à ces objectifs, les travaux de recherche menés dans cette thèse, ont porté sur quatre axes majeurs. Le premier axe consiste à étudier et déterminer le comportement tribologique des premiers corps en milieu sec, puis en incorporant des traitements de surface. Le second axe a permis de déterminer les différents régimes de lubrification du contact lubrifié à la graisse. Nous avons montré que le régime de lubrification totale est caractérisé par la formation d’un tribofilm lubrifiant et protecteur. Des analyses plus poussées ont portées sur les cinétiques de formation et destruction de ce tribofilm ainsi que sa nature. Le troisième axe est consacré à l’étude du comportement tribologique du contact revêtu en milieu graissé. Le dernier axe de travail est destiné à la mise en place d’outils de simulation et de prévision de l’usure, et donc à posteriori du grippage, en fonction des conditions de chargement. Ces quatre axes d’études complémentaires ont donc permis de mettre en place des outils de comparaison de graisses et de revêtements, de comprendre le comportement du contact étudié ainsi que de développer des outils de simulation. / Electrification of flight controls represents an important milestone for both civil and military next-generation aircraft. A successful development of electro-mechanical actuators used for this type of application not only requires the establishment of a set of appropriate objectives and criteria but also the study of fundamental aspects. These studies mainly focus on the mechanical and tribological behavior of parts in contact with the objective to prevent seizing. Seizing is defined as an irreversible blockage of the system and it can be considered as the worst-case scenario. As a matter of fact, the considered electro-mechanical actuators are subjected to vibrational loads which induce small displacements between the parts in contact. These micro-slidings can result in wear, cracking, scaling and other undesirable phenomena. This PhD thesis is divided into four major topics that each contributes to prevent seizing. More precisely, the first part of this thesis deals with the tribological behavior of the first bodies in dry condition both with and without surface treatments. As a second axis the different lubrication regimes of the greased lubricated interface were determined. We have shown that the total lubrication regime is characterized by the formation of a lubricant and protective tribofilm. A detailed analysis on the nature of the tribofilm as well as on its kinetics of formation and destruction was carried out. The third area is devoted to the study of the tribological behavior of the coated and greased contact. Finally, the fourth axis of this research deals with the question of how we can simulate and predict wear, and seizing as its most severe form, under multiple loading conditions. These four complementary areas allowed us to establish tools for comparison for greases and coatings in order to understand the behavior of the fretted interface and to develop simulation tools.

The exhaust valve system of combustion engines experiences a very complex contact situation of frequent impact involving micro sliding, high and varying temperatures, complex exhaust gas chemistry and possible particulates, etc. In addition, the tribological situation in the exhaust valve system is expected to become even worse due to strict future emission regulations, which will require enhanced combustion and cleaner fuels. This will substantially reduce the formation of combustion products that might ease the contact conditions by forming tribofilms on the contacting surfaces. The lack of protective films is expected to result in increased wear of the contact surfaces. The aim of the work presented in this thesis has been to increase the tribological understanding of the valves. The wear that takes place in the valve sealing interface and how the change in operating conditions affects it have been studied. Such understanding will facilitate the development of future valve designs. A test rig has been developed. It has a unique design with the ability to insert ppm amounts of media into a hot air flow, in order to simulate different environmental changes, e.g. varying amount and composition of combustion residue particles. PVD coated valves were evaluated in a dry atmosphere. It was concluded that although some of the coatings showed potential, the substrate could not support the thin, hard coatings. Investigations with an addition of different oils have been performed. Fully formulated oils proved to build up a protective oil residue tribofilm. This tribofilm has been in-depth analysed and proved to have similar composition and appearance as tribofilms found on low wear field tested valves. With a non-additivated oil, wear particles from the valve seat insert formed a wear particle tribofilm on top of the valve sealing surface. Without any oil the surfaces showed severe wear with wear particles spread over the surfaces. The results presented give a hint about what to be expected in the future, when the engine oils are replaced with ash less oils with reduced amount of additives and the consumed amount of oil within the cylinders are reduced.

The thin film technology is of great importance in modern society and is a key technology in wide spread applications from electronics and solar cells to hard protective coatings on cutting tools and diffusion barriers in food packaging. This thesis deals with various aspects of thin film processing and the aim of the work is twofold; firstly, to obtain a fundamental understanding of the sputter deposition and the reactive sputter deposition processes, and secondly, to evaluate sputter deposition of specific material systems with low friction properties and to improve their performance.From studies of the reactive sputtering process, two new methods of eliminating the problematic and undesirable hysteresis effect were found. In the first method it was demonstrated that an increased process pressure caused a reduction and, in some cases, even elimination of the hysteresis. In the second method it was shown that sufficiently high oxide content in the target will eliminate the hysteresis. Further studies of non-reactive magnetron sputtering of multi-element targets at different pressures resulted in huge pressure dependent compositional gradients over the chamber due to different gas phase scattering of the elements. This has been qualitatively known for a long time but the results presented here now enable a quantitative estimation of such effects. For example, by taking gas phase scattering into consideration during sputtering from a WS2 target it was possible to deposit WSx films with a sulphur content going from sub-stoichiometric to over-stoichiometric composition depending on the substrate position relative the target. By alloying tungsten disulphide (WS2) with carbon and titanium (W-S-C-Ti) its hardness was significantly increased due to the formation of a new titanium carbide phase (TiCxSy). The best sample increased its hardness to 18 GPa (compared to 4 GPa for the corresponding W-S-C coating) while still maintaining a low friction (µ=0.02) due to the formation of easily sheared WS2 planes in the wear track.

Le secteur du transport en Europe dépend à 98% du pétrole, participe pour plus de 30% à la consommation énergétique et représente plus de 20% des émissions totales de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, le développement des biocarburants permettrait une diversification énergétique et une diminution des émissions de gaz à effet de serre, les biocarburants ayant un impact environnemental réduit. De plus, le frottement dans les moteurs diesel est responsable de la perte de la consommation totale d'énergie de près de 15%. La plupart de ces pertes sont liées au contact piston-chemise. Développer les biocarburants peut alors contribuer à réduire d’une part la consommation d’énergie et d’autre part les émissions polluantes. L'additivation de biocarburants avec des modificateurs de frottement organiques (MF) peut être l’une des solutions pour répondre à cette problématique. Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés de réduction de frottement de différents types de MF organiques dans les matrices carburant (B0) et biocarburant (B7), en contact acier / acier. Une diminution significative du coefficient de frottement, de plus de 50%, a été observée en présence d'un mélange d'acides gras en matrice B7 à 100 °C. De plus, peu d’usure est causée durant le test en frottement grâce à la formation d'un tribofilm organique. Cette tribofilm semble être amorphe et généré par une réticulation accélérée des acides gras insaturés (MF) en présence d'esters (B7) dans les conditions tribologiques utilisées. Appuyé par des techniques d’analyses de surface, un mécanisme d'action de réduction de frottement par les additifs organiques dans les biocarburants est proposé et de nouvelles pistes de développement sont présentées. / Improve friction efficiency and environmental sustainability of engines have been increasing in importance since the end of 20th century. Indeed, friction in diesel engines is responsible for almost 15% loss of the total energy consumption. Most of these losses are related to the pistonliner contact. The development of new biofuels, allowing an energy diversification and decreasing the emissions of greenhouse gases due to their reduced environmental impact, can contribute to environmental sustainability and reduction in energy costs. The additivation of biofuels with organic friction modifiers additives (FM) can be an essential way to address this problem. In this thesis, we investigated the friction reduction properties of different kinds of organic FM in fuel (B0) and biofuel (B7) matrixes for steel/steel contact. A significant decrease of friction coefficient, more than 50%, was observed in the presence of a mixture of fatty acids blended to the B7 matrix at 100°C. Moreover, almost no wear is caused on the track thanks to the formation of an organic tribofilm. This organic-based tribofilm appears to be amorphous and generated by an easiest crosslinking of the unsaturated fatty acids (FMs) in the presence of esters under tribological conditions. Supported by advances surface analyses, a potential friction reduction action mechanism of acid-based additives in biofuels is proposed and new avenues for development are provided.

The use of low-friction coatings on machine elements is steadily increasing, and they are expected to play an important role in the reduction of fuel consumption of future motorized vehicles. Many low-friction coatings function by transformation of the outermost coating layer into tribofilms, which then cover the coating surface and its counter surface. It is within these tribofilms that sliding takes place, and their properties largely determine the performance. The role of the coating is then not to provide low friction, but to supply support and constituents for the tribofilm. In this thesis, the formation of such tribofilms has been studied for a number of different low-friction coatings. The sensitivity of the tribofilm formation towards changes in the tribological system, such as increased surface roughness, varied surrounding atmosphere and reduced availability of the tribofilm constituents has been given special attention. For TaC/aC coatings, the formation of a functioning tribofilm was found to be a multi-step process, where wear fragments are formed, agglomerated, compacted and eventually stabilized into a dense film of fine grains. This formation is delayed by a moderate roughening of the coated surface. Coatings based on tungsten disulphide (WS2) are often able to provide exceptionally low friction, but their use is restricted by their poor mechanical properties and sensitivity to humidity. Large improvements in the mechanical properties can be achieved by addition of for example carbon, but the achievable hardness is still limited. When titanium was added to W-S-C coatings, a carbidic hard phase was formed, causing drastically increased hardness, with retained low friction. Titanium oxides in the tribofilms however caused the friction to be high initially and unstable in the long term. In a study of W-S-N coatings, the effects of humidity and oxygen were studied separately, and it was found that the detrimental role of oxygen is larger than often assumed. Low friction tribofilms may form by rearrangement of coating material, but also by tribochemical reactions between constituents of the coating and its counter surface. This was observed for Ti-C-S coatings, which formed WS2 tribofilms when sliding against tungsten counter surfaces, leading to dramatic friction reductions.

Grâce à ses propriétés d’antioxydant, d’anti-usure et éventuellement d’extrême pression le dithiophosphate de zinc (ZDDP) fait partie des additifs les plus utilisés dans les lubrifiants pour moteurs thermiques. De nos jours, dans un souci de respect de l’environnement, de nouveaux lubrifiants possédant de bonnes performances en lubrification (frottement faible et usure limitée) sont développés en prenant compte des limitations d’utilisations actuelles du ZDDP. L’idée étant de réduire dans ceux-ci les teneurs en phosphore et soufre (Normes euros VI), éléments essentiels du ZDDP qui endommagent les pots catalytiques. L’objectif de cette thèse est l’étude du comportement tribologique du phosphate de zinc di alkyl (ZP) en comparaison avec le ZDDP. La méthodologie expérimentale étudiée pour comprendre le mécanisme d’action de ces additifs, associe des essais de frottement à descaractérisations physico-chimiques des surfaces frottantes après essais.Cette comparaison a été effectuée en fonction de la température (25°C et 100°C), la vitesse de glissement (25, 50 et 100 mm/s) et la concentration en additif (200 et 600 ppm dephosphore). Les meilleures actions anti-usure sont obtenues avec le ZDDP pour une température de 100°C et une vitesse de glissement de 100 mm/s et le ZP pour une température de 25°C et une vitesse de glissement de 25 mm/s. Les analyses de surface XPS, AES, XANES et MET-EDX ont permis de mettre en évidence la présence d’un film protecteur constitué principalement de phosphate de zinc, ceci pour les deux additifs.Une synergie de comportement tribologique a été mise en évidence avec un lubrifiantconstitué de ZP (usure faible) et d’oléate d’urée (frottement faible). Des essais complémentaires sur un tribomètre dynamique ont permis d’étudier le niveau de frottement du tribofilm formé à partir du ZDDP. Le caractère visqueux du tribofilm de ZDDP a été mis en évidence. / Thanks to its antioxidant, anti-wear and extreme pressure properties, zinc dialkyldithiophosphate (ZDDP) is nowadays the most used anti-wear additives in engine oil. Due to environmental protection concerns, new lubricants with good tribological performances (low friction and low wear) are developed. This research aims to evaluate the current limitations of ZDDP and to find alternative environmentally friendly solutions. Thus, the target is to reduce the quantity of phosphorus and sulphur in lubricants, two essential elements of ZDDP molecule that damage catalytic. The objective of this thesis is to study tribological behavior of zinc phosphate di alkyl (ZP) in comparison to ZDDP. The experimental method performed is the coupling of friction test with surface physico-chemical characterisation of rubbing surface after tests.This comparison carried out according to the temperature (25°C and 100°C), the sliding speed (25, 50, 100 mm/s) and additives concentrations (200 and 600 ppm). The best anti-wear efficiency is obtained with the ZDDP additive at 100°C - 100 mm/s and with the ZP at 25°C - 25 mm/s. For both additives and under these conditions, tribofilms are mainly made of zinc phosphate.A tribological synergy are obtained with a lubricant contained ZP (low wear) and oleyl urea (low friction). Complementary tests were made on a original dynamic tribometer for a better understanding of ZDDP tribofilm friction behavior. The viscous character of ZDDP tribofilm was obtained.

Pour répondre aux problématiques d’usure précoce des pièces mécaniques causée par des pressions et températures élevées d’utilisation, des nanolubrifiants constitués de nanocarbones fluorés, connus pour leurs faibles coefficients de frottement et haute stabilité thermique ont été synthétisés. Pour améliorer ces propriétés, des précurseurs nanocarbonés de dimensionnalités différentes, et des procédés de synthèse gaz-solide variés ont été employés. Ainsi, une structure fermée comme les nanofibres de carbone NFCs (1D, tubulaire), ouverte comme le mélange nanodisques / nanocônes de carbone NDCs (majoritairement 2D, discotique) et intermédiaire avec les noirs de carbone graphitisés NCGs (0D, sphérique) ont été fluorés, d’une part avec le fluor moléculaire gazeux et d’autre part avec le fluor atomique produit par décomposition thermique d’un agent solide. Les mécanismes de fluoration / défluoration ont été proposés à l’aide de différentes techniques de caractérisation complémentaires (RMN du solide, MEB, MET, AFM, DRX) pour l’ensemble des matrices étudiées. Des matériaux présentant un gain de stabilité thermique de plusieurs dizaines de degrés comparativement aux matériaux fluorés de la littérature ont été élaborés, et une nouvelle méthode de synthèse dite « fluoration flash » a été mise au point pour étendre encore cette tenue en température. Les bonnes propriétés tribologiques de ces matériaux ont également été démontrées, notamment à 160°C et ceci quel que soit le mode de fluoration. Par la suite, des vernis à base de résines siliconées et chargés en nanofibres de carbone fluorées ont été formulés. Le revêtement composite présente une stabilité thermique supérieure à 400°C comme démontré par l’étude de son mécanisme de dégradation en température, notamment par couplage ATG-FTIR. D’un point de vue tribologique, les coefficients de frottement mesurés à température ambiante et 160°C sont inférieurs à 0,1 et les tribofilms obtenus ont été caractérisés par analyse MEB et EDX. / To address some issues to premature wear caused by high pressures and temperatures used on aircraft parts, nanolubricants made of fluorinated nanocarbons were synthesized. They are known for their low friction coefficients and high thermal stability in air. To improve these properties, carbonaceous nanomaterial precursors with different dimensionalities, and various gaz-solid synthesis methods were investigated. Thus, a closed structure such as carbon nanofibres (1D, tubular), opened such as carbon nanodiscs/nanocones (2D in majority, discotic) and intermediate with graphitized carbon blacks(0D, spherical) were fluorinated, firstly with molecular fluorine gas, and secondly with atomic fluorine released by the thermal decomposition of a solid fluorinating agent. Mechanisms of fluorination/defluorination were proposed thanks to complementary characterization techniques (solid NMR, SEM, TEM, AFM, XRD) for all the studied compounds. Materials with a gain of thermal stability of several tens of degrees compared to fluorinated materials of the litterature were prepared, and a new synthesis way called “flash fluorination” has been developed to further expand the thermal stability in air. Good tribological properties of these materials have been also demonstrated, including high temperature (160°C) regardless of the fluorination method. Then, polysiloxane resins loaded with fluorinated carbon nanofibres were formulated. The composite coatings exhibit thermal stability above 400°C as demonstrated by the study of the degradation mechanism as a function of the temperature, in particular by coupling TGA-FTIR. From a tribological point of view, friction coefficients measured at room temperature and 160°C are below 0.1 and the tribofilms obtained were characterized by SEM and EDX analysis.

L’utilisation d’un col modulaire lors de la pose d’une prothèse totale de hanche introduit une nouvelle interface, entre la tige et le col, qui est susceptible de s’endommager par fretting lors de la marche. L’alliage Ti–6Al–4V est très largement utilisé pour les tiges et les cols. Cependant, les contacts Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V présentent un frottement élevé et une forte usure adhésive dans les conditions de fretting. Les revêtements DLC (diamond-like carbon) ont été largement utilisés comme revêtements protecteurs pour les pièces métalliques. Ainsi, ils peuvent être introduits dans les contacts entre la tige en Ti–6Al–4V et le col en Ti–6Al–4V. L’objectif de cette thèse est d’étudier les comportements tribologiques du revêtement DLC et de l’alliage Ti–6Al–4V dans les conditions de fretting pour application au contact entre la tige et le col. Les essais de fretting sont menés avec un contact cylindre sur plan sous différentes valeurs d’amplitude de déplacement (± 20 μm, ± 40 μm, et ± 70 μm) et de force normale (entre 200 N et 1 200 N). En outre, les effets de différents revêtements (DLC A et DLC B), différentes rugosités de surface (lisse et rugueuse), différentes positions de revêtement (revêtement sur le plan, sur le cylindre et sur les deux surfaces), différents environnements (dans l’air et dans le sérum de veau) sont analysés. Par ailleurs, l'origine du faible frottement du contact entre Ti–6Al–4V et revêtement DLC est explorée. Les propriétés mécaniques du tribofilm formé sur la surface de Ti–6Al–4V frottée sont également étudiées.Pour les tests de fretting sans revêtement (contact Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V) dans l’air, le coefficient de frottement est élevé, entre 0.8 et 1.2. Le volume d’usure croît avec l’amplitude de déplacement. Pour les tests avec revêtement, le Ti–6Al–4V peut être bien protégé, sous des charges relativement faibles. Le coefficient de frottement (d’environ 0,2) et le volume usé sont faibles. Sous fortes charges, le revêtement est presque totalement éliminé. Le frottement et le volume d'usure sont similaires à ceux des essais sans revêtement. Le revêtement plus dur (DLC A) a de meilleures propriétés tribologiques que le DLC B. Le revêtement sur la surface lisse présente une meilleure performance en fretting que sur la surface rugueuse. Le revêtement sur une surface cylindrique présente une meilleure performance tribologique que sur une surface plane. Le revêtement DLC est plus endommagé lorsqu'il glisse contre un revêtement DLC que contre du Ti–6Al–4V non revêtu. Le revêtement fonctionne mieux en présence de sérum que dans l’air. Un tribofilm est formé sur la surface de Ti–6Al–4V frottée lorsqu'il glisse contre un revêtement DLC sous de faibles charges. Le tribofilm présente une dureté plus élevée, un module de Young plus élevé, un module de compression plus élevé, une limite d'élasticité plus élevé que l’alliage Ti–6Al–4V. Un modèle tribologique est proposé pour la formation du tribofilm et l'explication de l'origine du faible frottement, par une analyse approfondie des surfaces de contact, sur les points de vue mécaniques et chimiques. / The use of modular neck adapter when placing a total hip prosthesis introduces a new interface, between the femoral stem and the neck adapter, which is propitious to fretting damage during walking. Ti–6Al–4V alloy has been widely used in neck adapters and femoral stems. However, the Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V contacts present high friction and severe adhesive wear under fretting conditions. Diamond-like carbon (DLC) coatings have been widely used as protective coatings for metallic parts. Thus, they can be introduced into Ti–6Al–4V neck adapter / Ti–6Al–4V femoral stem contacts.The objective of this thesis is to investigate the tribological behaviors of DLC coating and Ti–6Al–4V alloy under fretting conditions for application to neck adapter / femoral stem contact. Fretting tests are conducted with a cylinder / flat contact under different values of displacement amplitude (±20 µm, ±40 µm, and ±70 µm) and normal force (between 200 N and 1 200 N). Furthermore, the effects of different DLC coatings (DLC A and DLC B), different surface roughness (smooth and rough), different coating positions (coating on the flat, on the cylinder, and on both surfaces), different environments (laboratory air and calf serum) are analyzed. Besides, the origin of low friction of Ti–6Al–4V / DLC coating contact is explored. The mechanical properties of tribofilm formed on the rubbed Ti–6Al–4V surface is studied.For fretting tests without coating (Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V contact) under laboratory air condition, the friction coefficient is high, between 0.8 and 1.2. The wear volume increases with the displacement amplitude. For fretting tests with coating, Ti–6Al–4V can be well protected under relatively low load conditions. The friction coefficient is low (around 0.2) and the wear volume is small. Under high load conditions, the coating is almost totally removed. The friction and wear volume are similar to tests without coating. The harder coating (DLC A) has better tribological property than DLC B. The coating on the smooth surface exhibits better fretting performance than on the rough surface. Coating on a cylindrical surface shows better tribological performance than on a flat surface. The DLC coating is damaged more severely when it slides against a DLC coating than against the uncoated Ti–6Al–4V alloy. The coating performs better under the serum condition than under the laboratory air condition. A tribofilm is formed on the rubbed Ti–6Al–4V surface when sliding against a DLC coating under low load conditions. The tribofilm shows higher hardness, higher Young’s modulus, higher compression modulus, higher yield strength than the Ti–6Al–4V alloy. A tribological model is proposed for tribofilm formation and explanation of origin of low friction, by in-depth analysis of contact surfaces, on mechanical and chemical points of view.

Le dialkyldithiophosphate de zinc ( ZDDP ) est un additif anti-usure habituellement utilisé dans les lubrifiants moteurs. Dans des conditions sévères de frottement, les molécules de ZDDP forment sur les surfaces métalliques un film, appelé tribofilm, qui protège ces surfaces de l'adhésion et de l'abrasion. Les tribofilms sont principalement composés de polyphosphates de zinc dont la longueur des chaînes varie progressivement sur la hauteur du film. On trouve les chaînes de phosphate les plus courtes à la surface du métal et les chaînes de phosphate les plus longues au sommet du film. Plusieurs études ont été menées afin de comprendre le mécanisme par lequel l'additif peut conduire à la formation de ce gradient de phosphate. Pour améliorer la compréhension de ce mécanisme, nous nous concentrons dans cette étude sur l'influence de la pression, du cisaillement, de la nature des surfaces et de la température sur des composés de type orthophosphate de zinc et métaphosphate de zinc, utilisés pour modéliser le tribofilm de ZDDP. Des tests tribologiques ont été réalisés en régime de lubrification limite à partir de dispersions de ces polyphosphates de zinc dans de l'huile de base. L'effet de la pression seule a été étudié à l'aide d'une cellule à enclumes de diamant (CED) afin de découpler son effet de celui du cisaillement. La spectroscopie Raman a été utilisée pour suivre in-situ ou ex-situ, les changements de structures des poudres de polyphosphate de zinc. Ces expériences ont été réalisées sur ces composés afin d'identifier précisément la contrainte qui conduit à ce gradient de phosphate au sein d'un tribofilm. La pression seule, à induit uniquement des désordres structurels au sein des polyphosphates de zinc. Une dimérisation mineure a été observée pour l'orthophosphate de zinc mais, est peu significative pour expliquer les changements structurels observés dans un tribofilm. Lors des tests tribologiques, les phosphates ont montré une capacité à former des tribofilms. Une dépolymérisation du métaphosphate de zinc à été observée a l'issue de ces tests. Les grandes contraintes et conditions de déformation des essais tribologiques sont nécessaires pour induire une réaction tribochimique entre le métaphosphate de zinc et l'oxyde de fer conduisant à une dépolymérisation du phosphate dans le tribofilm. La réaction anti-usure et la formation de tribofilm est favorisée par les hautes températures (120 • C), et par certaines formes d'oxydes de fer. / Zinc dialkyldithiophosphate (ZDDP) is an anti-wear additive, commonly used in engine lubricants. Under severe conditions of friction, it forms a tribofilm on steel surfaces. ZDDP tribofilm is mainly composed of zinc polyphosphates and its structure varies gradually over the height of the film: short phosphate chains at the metal surface and longer phosphate chains at the top of the film. Several studies have been conducted to understand the mechanism by which the additive may lead to the formation of this gradient of the phosphate chain length. The influence of pressure, shear stress, nature surfaces and temperature on the structure of zinc orthophosphate and zinc metaphosphate were investigated, to improve the understanding of their action mechanism. Friction tests were carried out in boundary lubrication regime from dispersions of zinc polyphosphates in base oil. The effect of pressure alone was investigated using a Diamond Anvil Cell (DAC) in order to dissociate from the shear contribution. Raman spectroscopy was used to follow in situ or ex situ structural changes of the zinc polyphosphate powders. The experiments were carried out on these compounds to identify precisely the impact of stresses on them. Pressure alone induces only disordering in the structure of zinc polyphosphates, with only minor dimerization of the chain length in phosphates, and does not contribute significantly to the observed structural changes in tribofilms. Tribofilms obtained with both polyphosphates display a depolymerization of the zinc metaphosphate. The severe stress and strain conditions of the tribological tests are necessary to induce a tribochemical reaction between zinc metaphosphate and iron oxide, leading to a depolymerization of the phosphate in the tribofilm. The tribochemical reaction and anti-wear tribofilm formation are significantly enhanced by the modest temperature increase from ambient to 120°C, and by some kinds of iron oxides.

Les revêtements composites métal/céramique s'imposent aujourd'hui comme une réponse au fort besoin industriel d'amélioration de la fiabilité des pièces sous sollicitations multiples. Le procédé de projection plasma est envisagé pour la réalisation de tels revêtements avec d'excellentes propriétés tribologiques. Du fait de leur mode d'élaboration, la microstructure des revêtements projetés plasma est complexe et les propriétés en dépendant hétérogènes. Afin d'optimiser le comportement tribologique de ces dépôts, l'objectif de cette étude est d'établir des relations entre microstructure et propriétés tribologiques.<br />Utilisant la souplesse du procédé de projection plasma, notamment celui de projection réactive particulièrement développé pour cette étude, des dépôts composites présentant une large gamme de microstructures ont été obtenus. Pour cela, divers paramètres ont été étudiés : la nature des poudres métalliques projetées (alliages de titane ou de cuivre), la nature du renfort céramique (exogène et/ou endogène), le mode de projection (projection plasma réactive, mode RPS et en surpression, mode HPPS ou co-projection) et les conditions de projection propres à chaque procédé. Une caractérisation des dépôts a été menée, jusqu'à une échelle fine. Le niveau de renforcement de ces microstructures composites fines a été, en particulier, étudié par nanoindentation. Pour chaque mode de projection, deux dépôts composites ont été sélectionnés pour étudier leur comportement tribologique à l'aide d'un essai de frottement de type « pion-disque ». Cet essai a montré une sensibilité élevée à la microstructure et a ainsi permis de déterminer le rôle de certaines caractéristiques microstructurales des dépôts composites sur leurs propriétés tribologiques.<br />A partir d'observations métallographiques et d'analyses des faciès d'usure, un mécanisme d'usure commun aux deux types de dépôts, élaborés par co-projection et par projection réactive, a été mis en évidence. L'influence de la microstructure caractéristique de ces dépôts sur leur comportement tribologique a également été examinée.