Ce travail s’inscrit dans une problématique industrielle relative à la fabrication d’échangeurs de chaleur utilisés dans les systèmes de conditionnement d’air sur avion. Ces échangeurs sont fabriqués à partir de tôles minces embouties en Ni 201, en Alliage 600 ou en AISI 444 brasées avec des tôles intercalaires et des barres de fermeture en Alliage 625. Le métal d’apport utilisé est la BNi-8, composé principalement de nickel, de manganèse, de silicium et de cuivre. Des défauts de brasage peuvent apparaître lors de la fabrication des faisceaux occasionnant un dysfonctionnement de l’échangeur. L’opération de brasage à l’échelle d’un échangeur implique un ensemble de phénomènes physiques couplés, liés au comportement thermomécanique de la structure alvéolaire, à l’hétérogénéité des conditions de brasage et à la métallurgie locale. Afin d’améliorer la compréhension des phénomènes liés au brasage, plusieurs axes d’études ont été entrepris. Dans un premier temps, le comportement du métal d’apport a été caractérisé avec l’étude des températures de fusion en fonction de la composition chimique, de la microstructure et des propriétés mécaniques associées. En parallèle, les métaux de base ont également été étudiés afin de connaître l’évolution de leur microstructure et donc des propriétés mécaniques en fonction de la température mais aussi de l’état des contraintes résiduelles présent dans le feuillard à l’issue de leur mise en forme par emboutissage. Une étude sur les tôles emboutis a également permis d’appréhender le comportement de ces produits minces en compression à chaud. Pour finir, afin de se rapprocher des conditions réelles de brasage en milieu industriel, des études ont été menées sur le couplage métal d’apport/métal de base d’un point de vue métallurgique mais aussi mécanique. L’ensemble de ces études a pour objectif de mieux appréhender les phénomènes mis en jeu pendant le cycle de brasage et de proposer des améliorations pour le procédé (géométrie des intercalaires, cycles thermiques, matériaux utilisés, etc.). / This work is devoted to improving the manufacturing process of heat exchangers used in aerospace applications. Heat exchangers included in air conditioning systems for aircraft are produced by brazing stamped thin alloys sheets made of nickel-based alloys, Alloy 600 and Ni 201, or stainless steel, AISI 444. Separation metal sheets and locking bars of Alloy 625 are used to complete the system. The used brazing filler metal BNi-8 is mainly composed of nickel, manganese, silicon and copper. However, brazing defects appear during the manufacture of theheat exchangers can lead to non-integrity of the components. In order to improve the understanding of the phenomena related to brazing, several axes of investigation have been considered. Firstly, the behavior of the brazing filler metal was characterized by studying the melting temperatures as a function of the composition, the microstructure and the associated mechanical properties. In parallel, the base metals were also studied in order to know the evolution of the microstructure and therefore the mechanical properties as a function of the temperature but also of the state of stress present in the metal sheet induced by the stamping. Studying of stamped thin alloys sheets also allowed to understand the behavior of these thin products in hot compression. Finally, in order to get closer to the actual brazing conditions in industrial environment, studies of the coupling of brazing filler metal/base metal from a metallurgical and mechanical point of view have been carried out. All of these studies pursue aim to better understand the phenomena involved during the brazing cycle and to propose improvements for the brazing process (geometry of stamped thin alloys sheets, thermal cycles, used materials, etc.).

L'objectif global de cette étude est de fonctionnaliser les surfaces d'alliage de titane Ti6Al4V ELI (Ti) par des molécules bioactives dans le but de prévenir les infections sur une prothèse d'amputation transcutanée intra-osseuse (ITAP). Dans cette optique, deux stratégies ont été élaborées : l'une pour promouvoir l'attachement des cellules de la peau autour de l'implant et l'autre pour prévenir l'adhésion bactérienne à l'interface matériau-tissu. En premier lieu, la surface de Ti a été modifiée par la fibronectine (Fn), une glycoprotéine d'adhésion présente dans la matrice extracellulaire (MEC), qui favorise l'adhésion cellulaire. La Fn a été adsorbée ou greffée sur la surface de Ti. Deux bras d'ancrage différents ont été employés afin de greffer la Fn, soit la dopamine/l'anhydride glutarique (TiDopGA[indice g]Fn) et les phosphonates (TiPhos[indice g]Fn). Ces dernières conduisent à des groupes terminaux d'acide carboxylique sur le substrat, permettant le greffage covalent avec les groupements fonctionnels (NH₂) de la Fn. Le succès de chaque étape de modification a été vérifié par XPS et angle de contact. La quantité de protéine et la disponibilité des sites d'adhésion RGD (arginine-glycine-acide aspartique) de la Fn adsorbée ou greffée sur chacun des bras d'ancrage ont été évaluées par ELISA. L'effet des surfaces modifiées avec la Fn a été évalué sur la prolifération et l'étalement des fibroblastes d'une part et sur la force d'attachement des feuillets dermiques d'autre part. La Fn greffée via les phosphonates a une plus grande bioactivité et une meilleure activité biologique que celle greffée via la dopamine/l'anhydride glutarique ou lorsqu'elle a été adsorbée. La force d'arrachement des feuillets dermiques était significativement plus élevée autour des surfaces greffées de Fn via les phosphonates, par rapport aux surfaces non traitées. Par conséquent, cette étude met en évidence l'importance d'une sélection appropriée du bras d'ancrage pour contrôler étroitement les interactions cellulaires à l'interface tissu/implant. Le second volet de ce projet repose sur la fonctionnalisation de la surface de Ti par la vancomycine (Vanc), une glycopeptide ayant des propriétés antibactériennes. La Vanc a été greffée de façon covalente via les phosphonates (TiPhos[indice g]Vanc) selon une méthodologie similaire à celle utilisée pour greffer la Fn. Le greffage et la stabilité de la Vanc ont été confirmés par XPS et angle de contact. La surface modifiée par la Vanc permet de réduire l'adhésion des bactéries Staphylococcus epidermidis, bactéries responsables de la majorité des cas d'infections cutanées pour les implants percutanés, comparativement à la surface de Ti non traitée. Ces résultats soutiennent l'effet antibactérien des surfaces de Ti lorsqu'elles sont fonctionnalisées par la Vanc de façon covalente. / The overall goal of this study is to functionalize titanium alloys materials (Ti6Al4V ELI) using biomolecules in order to prevent infections on Intraosseous Transcutaneous Amputation Prosthesis (ITAP). In this context, two strategies have been developed: one to promote attachment of skin cells around the implant and the other to reduce bacterial adhesion at the material-tissue interface. First of all, the Ti6Al4V ELI was modified by fibronectin (Fn), an adhesion glycoprotein found in most extracellular matrices, which promotes cell recognition and adhesion. Fn was adsorbed or grafted onto the surface of Ti6Al4V ELI. Two different linkers were used to graft the Fn, dopamine/glutaric anhydride (TiDopGA[subscript g]) and phosphonate (TiPhos[subscript g]). The linking arms lead to terminal carboxylic acid groups on the substrate, allowing covalent grafting with the amine functions of Fn. The success of each modification step was assessed by XPS and contact angle. The quantity of protein and the availability of RGD adhesion sites of the Fn adsorbed or grafted via the two investigated linking arms were evaluated by ELISA. The effect of the Fn-modified surfaces was evaluated on the proliferation and spreading of fibroblast cells and on the attachment strength of the dermal layers. It has been evidenced that Fn grafted via phosphonates has a greater bioactivity and a better biological activity than Fn grafted via dopamine/glutaric anhydride or when adsorbed. The peeling force of the dermal layers was also significantly higher around surfaces grafted with Fn via phosphonates, compared to untreated surfaces. Therefore, this study highlights the importance of appropriate selection of the anchor arm to closely control cellular interactions at the tissue/implant interface. The second part of this study is based on the functionalization of the Ti6Al4V ELI surface by vancomycin (Vanc), a glycopeptide with antibacterial properties. Vanc was covalently grafted via phosphonate (TiPhos[subscript g]Vanc) using a similar methodology to that used to graft Fn. The grafting and stability of the Vanc was confirmed by XPS and contact angle. The Vanc-modified surface reduces the adhesion of Staphylococcus epidermidis bacteria, the bacterium responsible for the majority of skin infections in percutaneous implants, compared to the surface of untreated Ti6Al4V ELI. These results confirm the antibacterial effect of the Ti6Al4V ELI surfaces when covalently functionalized by the Vanc.

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont les principales responsables de décès dans le monde. L'athérosclérose est la forme la plus répandue de MCV, causée en partie et dans les cas extrêmes par l'occlusion des vaisseaux en raison du vieillissement ou des facteurs de risque. L’implantation d’un stent vasculaire est le traitement le plus efficace pour les traitements des artères sténosées, en fournissant un support mécanique pour rétablir la circulation sanguine. En considérant une période approximative d'un an pour la guérison des artères, les Métaux Biodégradables (MB) ont été proposés et développées pour la fabrication de stents. Ils sont censés se dissoudre complètement après un certain délai, offre un support mécanique temporaire, empêcher des complications à long terme. Présentant des propriétés mécaniques supérieures par rapport aux alliages à base de Mg et à base de Zn, les MB à base de Fe, en particulier les alliages binaires de Fe-Mn, sont parmi les candidats les plus appropriés pour la fabrication des stents cardiovasculaires. La fabrication des stents est un procédé multi-étape qui inclut l’extrusion, le coupe laser, des traitements thermiques, et des procédés de neutralisation, et un fini de surface. L'électrodéposition s'est déjà révélé être une méthode efficace pour la micro-fabrication telle que le stent en fer pur. Par conséquent, ce travail porte sur la conception et le développement d'un procédé d'électrodéposition pour la production d'alliages biodégradables binaires de Fe-Mn pour l'application de stents vasculaires. Dans ce projet, deux approches ont été étudiées. Dans la première, l'alliage binaire de Fe-Mn a été fabriqué par un processus d'interdiffusion entre des couches précédemment déposées de fer pur et de manganèse pur. Dans la deuxième, le co-dépôt d'alliage de Fe-Mn était visé par un dépôt simultané à partir du même électrolyte. Les deux approches aboutissent à un alliage binaire de fer et de manganèse, mais elles présentent certaines limites. Dans le premier, une couche de diffusion de quelques micromètres d'épaisseur s'est formée à leur interface, mais les surfaces extérieures ont été partiellement oxydées. Dans ce dernier, le manganèse a été déposé jusqu'à 7% en poids, mais la couche déposée souffre de faibles propriétés physiques. / Cardiovascular diseases (CVDs) are the leading reason for mortality in the world. Atherosclerosis is the most widespread form of CVD, partly caused in extreme cases by vessel occlusion because of aging or risk factors.Stenting is the most effective treatment for late atherosclerosis by providing mechanical support to re-open the arteries. It takes approximately one-year period for artery healing, so biodegradable metals (BMs) have been considered for stent manufacturing. They are supposed to dissolve completely after a specific time while providing temporary mechanical support, with imposing lower long-term complications. Showing superior mechanical properties compared to Mg-based and Zn-based alloys, Fe-based BMs, particularly binary Fe-Mn, are among the most suitable candidates for cardiovascular stents. The stent fabrication is a multi-step process that involves many steps, namely, extrusion, laser cutting, thermal treatment,neutralization processes, surface finishing. Electrodeposition has shown to be an efficient method for microfabrication, such as the pure iron stent.Therefore, this work deals with the development of an electrodeposition process for the production of binary Fe-Mn biodegradable alloys for vascular stent application. In this project, two different approaches for the development of the binary Fe-Mn alloy are explored. In the first, binary Fe-Mn alloy was approached through the interdiffusion process between the previously deposited layers of pure iron and pure manganese. In the second, however, the co-deposition of Fe-Mn alloy was aimed through simultaneous deposition from the same electrolyte. Both approaches result in binary iron and manganese alloy, but they showed some limitations. In the former, a diffusion layer of some micrometers thickness was formed at their interface, but exterior surfaces were partially oxidized. In the latter, manganese was co-deposited up to 7 wt. %, but the deposited layer suffers from low physical properties.

Les composés intermétalliques Fe₃Al et leurs revêtements composites sont des matériaux structuraux potentiels pour des applications tribologiques. Parmi les composites, ceux obtenus par broyage mécanique à haute énergie possèdent plusieurs avantages, en particulier une fabrication rentable. Le broyage à billes à haute énergie permet également une large gamme de fraction volumique des particules de renforcement. Dans cette recherche, Nous avons préparé des revêtements composites à matrice d'aluminiure de fer, basés sur la composition chimique de Fe₃Al avec des particules de renforcement de TiC et de TiB₂ en utilisant un broyeur à billes à haute énergie et déposé par la technique HVOF (High Velocity Oxy Fuel). L'effet des paramètres de traitement tels que la durée du broyage et le traitement thermique subséquent sur les la matière première destinés à la projection par HVOF a été étudié. Les paramètres de traitement ont joué des rôles importants sur la poudre composite et par la suite sur la microstructure, les propriétés mécaniques et tribologiques des revêtements. Le but de la première phase expérimentale de ce travail était d'étudier l'effet des particules de TiC in situ sur la microstructure, le comportement mécanique et tribologique des revêtements de Fe₃Al déposés par HVOF. Dans cette étape, des poudres composites Fe₃Al / TiC avec différentes quantités de carbure de titane ont été produites par broyage à haute énergie. Un mélange de Fe₃Al-Ti-C a été broyé pendant 6 h suivi d'un traitement thermique à 1000 °C pendant 2 h sous vide poussé. Des revêtements composites d'aluminure de fer renforcés au TiC in situ ont été préparés pour améliorer la dureté Vickers et la résistance à l'usure des intermétalliques de Fe₃Al. Les revêtements composites consistent principalement en une phase de TiC uniformément dispersée dans des lamelles de la matrice de Fe₃Al. Les revêtements composites ont montré une dureté Vickers croissante avec l’augmentation de la quantité de TiC, allant jusqu'à 70 % en moles de TiC. La résistance à l'usure par glissement à sec des revêtements a été augmentée avec l'addition de particules de TiC formées in situ. Les revêtements composites de Fe₃Al déposés par HVOF avec des renforts en TiC de 50 % et 70 % en moles présentaient une excellente résistance à l'usure par glissement. Le mécanisme d'usure dominant de ces revêtements était l'abrasion et l'oxydation. Dans une autre étape de ce travail, des poudres composites de Fe₃Al-TiB₂ avec deux quantités différentes de borure ont été produites par le dépôt par high Velocity Oxy Fuel (HVOF) sur un substrat en acier. Les revêtements composites consistaient principalement en une phase de TiB₂ pré-synthétisée et uniformément dispersée dans des lamelles de la matrice de Fe₃Al. Il a été montré qu'en augmentant la fraction volumique du TiB₂, la dureté Vickers et la résistance à l'usure par glissement des revêtements contre le contre-corps en alumine (6,33 mm de diamètre) étaient augmentées. L'augmentation de la résistance à l'usure était censée être liée à l'amélioration de la dureté, qui à son tour est due à la présence de particules de TiB₂ dans la matrice Fe₃Al. Le taux d'usure de glissement des revêtements a augmenté pour atteindre un maximum lorsque la vitesse de glissement augmente, puis il a diminué avec l'augmentation supplémentaire de la vitesse de glissement. Les analyses chimiques des surfaces usées ont montré que des vitesses de glissement plus élevées entraînent une oxydation plus élevée de la surface, probablement en raison de la température locale plus élevée. Une telle couche d'oxyde semble agir comme une barrière entre deux corps coulissants, diminuant ainsi le taux d'usure. / Fe₃Al intermetallic compounds and their composite coatings are potential structural materials for tribological applications. High-energy ball milled powders possess several advantages, especially cost-effective fabrication and lower cost of reinforcement. High-energy ball mill also allows for a wide range of reinforcement volume fraction. In this research, Iron Aluminide matrix composite coatings based on Fe₃Al chemical composition with TiC and TiB₂ particles were prepared using a high-energy ball mill and deposited via the High Velocity Oxy Fuel (HVOF) technique. The effect of processing parameters such as ball milling duration and subsequent heat treatment soaking time and temperature on the phases of products as a feed stock for the HVOF gun was studied. The processing parameters played important roles on the microstructure, mechanical and tribological properties of the coatings. The aim of the first experimental stage of this work was to study the effect of in-situ TiC particles on microstructure, mechanical and tribological behavior of HVOF deposited Fe₃Al coatings. In this stage Fe₃Al/TiC composite powders with different carbide quantities were produced via high-energy ball milling of Fe₃Al-Ti-C system for 6 h followed by heat treatment at 1000 °C for 2 h under high vacuum. In-situ TiC-reinforced iron aluminide composite coatings were prepared to improve the Vickers hardness and wear resistance of Fe₃Al intermetallics. The composite coatings mainly consist of a TiC phase uniformly dispersed within lamellae of the Fe₃Al matrix. The composite coatings showed increasing Vickers hardness with increasing TiC content up to 70 mol% TiC. The dry sliding wear resistance of coatings was increased with the addition of in-situ formed TiC particles. HVOF deposited Fe₃Al composite coatings with 50 and 70 mol% TiC reinforcements exhibited excellent sliding wear resistance. The dominant wear mechanism in those coatings was abrasion and oxidation. In another stage of this work Fe₃Al-TiB2 composite powders with two different boride quantities were produced by the high Velocity Oxy Fuel (HVOF) spray deposition on a steel substrate. The composite coatings mainly consisted of a TiB₂ phase uniformly dispersed within lamellae of the Fe₃Al matrix. It was shown that by increasing the volume fraction of TiB₂ both the Vickers hardness and sliding wear resistance of the coatings against alumina counterbody (6.33 mm in diameter) were increased. The increase of wear resistance was believed to be related to the hardness enhancement, which, in turn, is due to the presence of TiB₂ particles within the Fe3Al matrix. The sliding wear rate of the coatings increased to reach a maximum as the sliding speed increases, and then it decreased with further increase of the sliding speed. The chemical analyses of the worn surfaces showed that higher sliding speeds result in higher oxidation of the surface, most likely due to the higher local temperature. Such an oxide layer seems to act as a barrier between two sliding bodies, thus decreasing the wear rate.

"Thèse en cotutelle : Doctorat en génie des matériaux et de la métallurgie, Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Politecnico di Milano, Milano, Italie." / Récemment, le Fe et ses alliages ont montré leur potentiel en tant que matériaux dégradables pour des applications biomédicales. Néanmoins, la vitesse de corrosion lente limite leurs performances dans certaines situations. Les matériaux composites à matrice de fer représentent une approche possible, non seulement pour améliorer leurs propriétés mécaniques, mais aussi pour accélérer et ajuster la vitesse de corrosion dans un environnement physiologique. Dans ce travail, des composites à base de Fe renforcés par des particules Mg2Si ont été proposés. Les poudres initiales ont été préparées par différentes combinaisons de procédés de mélange et de broyage, et finalement consolidées par laminage à chaud. L'influence de la microstructure sur les propriétés mécaniques et le comportement à la corrosion de Fe/Mg2Si a été étudiée. Les échantillons contenant des particules Mg2Si plus petites présentaient une distribution plus homogène du renforcement. Le rendement et l’état limite ultime à la traction ont augmenté par rapport à ceux du Fe pur. La présence des particules de renforcement a joué un rôle crucial dans la susceptibilité à l'attaque de corrosion localisée dans les composites à base de Fe. L'initiation de la corrosion et son développement ont été systématiquement suivis pour étudier le mécanisme de corrosion. L'importance des particules de Mg2Si dans le déclenchement des processus de corrosion a été expliquée. Des mesures électrochimiques et des tests d'immersion statique ont indiqué que l'ajout de Mg2Si pourrait augmenter le taux de corrosion du Fe. Il a été constaté que la taille et la distribution des particules de renfort jouaient un rôle crucial à l'uniformité de l'attaque de corrosion. Après, une série de tests d'immersion à différents intervalles d'exposition (20, 50 et 100 jours) à la solution modifiée de Hanks a été réalisée à fin d’évaluer le comportement de dégradation des composites Fe/Mg2Si et Fe pur préparés par différentes techniques de métallurgie des poudres. Les résultats ont révélé l’importance du Mg2Si dans la composition et la stabilité des films protecteurs formés lors des expériences de corrosion statique. Les composites Fe/Mg2Si présentaient des taux de dégradation plus élevés que le Fe pur à toutes les étapes du test d'immersion. Les taux de dégradation à des intervalles d'exposition distincts dépendaient fortement de la composition et de la stabilité des films protecteurs d'oxyde, d'hydroxyde, de carbonate et de phosphate formés sur les surfaces dégradées. La libération d'ions Fe dans la solution aux stades ultérieurs de l'expérience était limitée en raison de l'effet de barrière dû au dépôt insoluble. Cette étude fondamentale a servi de base aux processus de formation de film protecteur dans la solution de Hanks modifiée, permettant une identification détaillée de leurs caractéristiques. / Fe-based alloys have shown a potential as a degradable material for biomedical applications. Nevertheless, the slow corrosion rate limits their performance as a biodegradable implant. One approach to control and modify their corrosion properties is the reinforcement addition, to create metal matrix composites in which the second phase is aimed at tuning not only the mechanical properties but also the corrosion mode and rate in a physiological environment. This thesis presents an original and thorough contribution on a very pertinent topic, the design, development, and validation of a new Fe/Mg2Si composites prepared powder metallurgy. The initial powders were prepared by different combinations of mixing and high energy ball milling processes and finally consolidated by hot rolling. Mechanical properties, microstructural features, as well as the corrosion performance, were extensively investigated in relation to the reinforcement size and distribution. The composites made of small size reinforcement particles showed a general increase in tensile strength. For instance, high energy ball milled samples exhibited better tensile performances (YS = 523 MPa, UTS = 630 MPa) while having the lower ductility (around 4%). A fundamental understanding of corrosion initiation, protective film formation, and growth on Fe-based materials and leads to a design of smarter and surface responsive biomaterials with modulable degradation rates, at distinct stages of the corrosion process. Here, the corrosion performance of Fe/Mg2Si composites varied with the reinforcement size and distribution. The predominant localized pitting corrosion in Fe/Mg2Si prepared by mixing was replaced by a more uniform pattern found in samples produced by mechanical milling. Further, it was found that Mg2Si plays a significant role in the composition and stability of the protective films formed during the static corrosion experiments. Fe/Mg2Si showed a higher corrosion rate compared to that of pure Fe at all stages of the corrosion experiment (1, 10, 20, 50 and 100 days). Moreover, the final degradation products varied with the substrate chemical composition and microstructure. In case of pure Fe, low solubility (Fe3(PO4)2) covered the entire surface, while Fe/Mg2Si exhibited the presence of carbonates at the latest stages of the test. The details about the degradation behaviour during long-term exposure times to the physiological environment highlighted in this work add a new knowledge on corrosion mechanism of degradable implant materials. In particular, the ability to tune mechanical and corrosion behavior of the composites as a function of reinforcement properties and manufacturing method was experimentally verified, highlighting the microstructure-corrosion property relationship. / I biomateriali in ferro puro e in leghe a base di ferro presentano una combinazione interessante di proprietà meccaniche, elettrochimiche e biologiche; per questo motivo, questa classe di materiali metallici possono trovare utilizzo in applicazioni di tipo impiantistico biomedicale. Malgrado ciò, nonostante le sue soddisfacenti proprietà meccaniche, questo elemento impiegato allo stato puro mostra un inconveniente rilevante - un basso tasso di degradazione. L’oggetto di questa tesi è lo studio di un nuovo gruppo di materiali biodegradabili compositi a matrice ferrosa (Fe/Mg2Si), in cui il Fe costituisce la matrice e il Mg2Si è impiegato come rinforzo; questi materiali sono stati sviluppati con tecniche di metallurgia delle polveri, e presentano un, alta resistenza meccanica come caratteristica principale. Le polveri che costituiscono i materiali di partenza sono stati preparati con diverse combinazioni di procedure oltre al semplice mescolamento e/o high energy ball milling (macinatura in mulino a sfere a alta energia). Tutte le formulazioni preparate sono state compattate attraverso laminazione a caldo. Le proprietà meccaniche, le caratteristiche microstrutturali, la composizione delle fasi e le prestazioni in termini di corrosione sono state studiate dettagliatamente, in relazione alla dimensione delle particelle di rinforzo e della loro distribuzione. Lavori precedenti hanno confermato l’efficacia dell’aggiunta di una seconda fase, soprattutto se finemente dispersa, per aumentare il tasso di degradazione di materiali metallici per applicazioni biomedicali a base Fe: gli esperimenti condotti in questo lavoro hanno confermato che i compositi Fe/Mg2Si hanno mostrato, rispetto al Fe puro che compone la matrice, non solo una resistenza meccanica più elevata, ma anche un tasso di degradazione più alto negli esperimenti di laboratorio in vitro. Infine, i materiali ottenuti tramite high energy ball milling, presentano una resistenza alla trazione migliore (carico di snervamento= 523 MPa, resistenza alla trazione = 630 MPa), ma contemporaneamente una ridotta duttilità (circa 4%). Una attenzione particolare è stata posta nello studio degli effetti della presenza di Mg2Si sui meccanismi di corrosione.Tutti i compositi studiati hanno mostrato un tasso di degradazione più elevato rispetto alla matrice fabbricata con la stessa procedura; inoltre, la formazione del film di prodotti di degradazione sulla superficie del materiale cambiava in maniera rilevante in funzione della composizione chimica del substrato e della sua microstruttura. Nel caso del Fe puro, cristalli isolati di vivianite (Fe3(PO4)2) erano presenti su tutta la superficie, mentre carbonati di Fe si formavano principalmente sulla superficie dei compositi, specialmente negli ultimi stadi del processo di degradazione.

Les matériaux de friction les plus populaires pour les applications de plaquettes de frein d’éolienne sont les composites à matrice métallique à base de cuivre fabriqués par la méthode de métallurgie des poudres. D'une part, le cuivre a une bonne conductivité thermique et disperse adéquatement la chaleur générée lors du freinage. D'autre part, la métallurgie des poudres permet une addition facile de diverses poudres avec une distribution uniforme, tout en limitant la ségrégation et les réactions indésirables. Ces matériaux incorporent des renforts (additifs) dans diverses fractions volumiques pour contrôler le coefficient de frottement, la résistance à l'usure ainsi que les propriétés mécaniques. La simple sélection de renforts selon diverses proportions n’est pas suffisante pour obtenir les propriétés mécaniques et tribologiques souhaitées. les propriétés suivants des additifs ont des effets significatifs sur les caractéristiques mécaniques et tribologiques de ces matériaux: leur 1) dureté, 2) résistance, 3) réactivité de surface, 4) taille, 5) forme, 6) ténacité et la conductivité thermique ainsi que 7) leurs liaisons à la matrice et les propriétés de leur interface avec la matrice. Ce projet porte une attention particulière à la modification des liaisons entre les additifs et la matrice et au choix des additifs de bons taille, forme et type. Ce travail de recherche met en évidence le développement d'une large gamme de nouveaux matériaux de friction pour les plaquettes de frein qui peuvent être adaptés à différentes applications en fonction des propriétés tribologiques et mécaniques requises. La comparaison avec le matériau commercial existant est présentée en termes de coefficient de frottement (COF), de taux d'usure et de propriétés mécaniques. Les nouvelles formulations permettent de réduire le taux d'usure moyen d’environ 6 fois et d'augmenter le COF de 55% allant de 0,28 à 0,43. La charge de cisaillement maximale et la dureté Brinell peuvent augmenter respectivement jusqu’à 3,5 fois et 47%. / The most popular friction materials for brake pad applications are copper-based metal matrix composites fabricated with the powder metallurgy process. On the one hand, copper has good thermal conductivity and disperses heat generated during braking. On the other hand, powder metallurgy (PM) allows easy addition of various powder additives with even distribution and limits segregation and undesirable reactions. These materials incorporate reinforcements (additives) in various volume fractions in order to control the coefficient of friction, wear resistance, and mechanical properties. To achieve the desired mechanical and tribological properties, selection of additives with their respective proportion is not sufficient. Hardness, strength, surface reactivity, size, shape, toughness, and thermal conductivity of the additives, as well as their adhesion strength to the matrix and the properties of their interface with the matrix have significant effects on the mechanical and tribological characteristics of the friction materials. Particular focus is made on modifying the bonds between the additives and the matrix and choosing the additives with the right size, shape, and chemistry. This research highlights the development of a wide range of novel PM brake pad lining materials, which can be tailored to different applications depending on the required tribological and mechanical properties. A comparison with existing commercial material is presented in terms of the coefficient of friction, wear rate, and mechanical properties. The new formulations allow reduction of the average wear rate by 6 times and increase the COF by 55 % ranging from 0.28 to 0.43. In addition, the maximum shear load and Brinell apparent hardness can increase by 3.5 times and 47 %, respectively.

Le moulage à la cire perdue est une technique offrant une grande liberté de conception, une bonne précision dimensionnelle et un excellent état de surface, et ce, pour une large gamme d'alliages. Cependant, dans le cas des alliages de magnésium, les données disponibles dans la littérature sont plutôt rares voire contradictoires. Dans ce contexte, ce projet de doctorat avait pour objectif l'étude du procédé de moulage à la cire perdue en moule monobloc et des propriétés des pièces en alliage de magnésium AZ91D obtenues. Pour cela, trois volets ont été considérés. Nous avons tout d'abord évalué l'aptitude de l'alliage à remplir les cavités du moule. Les expériences effectuées nous ont permis de montrer que l'application d'un vide partiel dans le moule était indispensable pour assurer le bon remplissage de la cavité de moulage. Par ailleurs, le remplissage des moules est favorisé par une augmentation de l'épaisseur de la section à remplir, de la pression métallostatique, de la surchauffe de l'alliage liquide ainsi que de la température de préchauffage du moule. L'étude de la réactivité moule-métal et de ses conséquences sur le fini de surface a fait l'objet de la deuxième partie de ce projet. Nos travaux ont permis de clarifier les mécanismes associés aux réactions entre le moule et l'alliage liquide. Le magnésium liquide et ses vapeurs réagissent avec la silice contenue dans le moule selon la réaction 4Mg + SiCh = 2MgO + Mg2Si. Nous avons également montré que la température de coulée n'exerçait pas d'influence notable sur la réactivité, alors qu'une augmentation de l'épaisseur de la pièce et/ou de la température du moule favorisait les réactions. Finalement, la microstructure des échantillons à l'état tel que coulé a été caractérisée et les propriétés mécaniques en traction ont été déterminées. Les résultats montrent que les propriétés en traction excèdent les exigences minimales définies par la norme ASTM B-403. Il s'est également avéré que la conception du système de coulée jouait un rôle déterminant sur la qualité des pièces obtenues. La température de coulée et la température du moule n'ont que peu d'influence sur les propriétés des pièces, alors que l'épaisseur des pièces les affecte. Des particules Al-Mn, observées principalement à la surface des pièces moulées, ont été caractérisées. / Investment casting is used to produce complex shapes, with excellent dimensional accuracy and surface finish, from a wide range of alloys. However, in the case of magnesium alloys, the literature on the subject is rare, even contradictory. In this context, the objective of this work is to study the solid mould investment casting process and the properties of AZ91D magnesium alloy cast parts. Three aspects were considered. First, the capacity of AZ91D alloy to fill mould cavities was evaluated. Experiments showed that vacuum assistance is necessary to provide adequate mould filling. Mould filling was improved by raising section thickness, metal head, superheating and mould preheating temperature. The influence of process parameters on reactivity and surface finish was then examined. The mechanism associated with mould-metal reactions was clarified. Liquid magnesium and its vapours react with silica in the mould according to the reaction 4Mg + SiCh = 2MgO + Mg2Si. Casting temperature proved to have no noticeable influence on reactivity, whereas an increase in section thickness and/or mould temperature promotes mould-metal reactions. Finally, the microstructure of as-cast test specimens was characterized and the mechanical properties were determined. The tensile properties exceed the minimum requirements of the standard ASTM B-403. Gating design played a determining role on the quality of cast specimens. Casting and mould temperatures had little influence on microstructural and mechanical properties, whereas section thickness affected them. Al-Mn particles, mainly observed at the surface of cast parts, were also characterized.

Ce projet de doctorat a permis pour la première fois de concevoir, réaliser et étudier le potentiel des matériaux métalliques biodégradables. En effet, le fer pur et les alliages de magnésium avaient été évalué entre 2001 et 2003 quant à la possibilité de devenir des biomatériaux dégradables. Ces travaux ont cependant montré que les propriétés mécaniques et du comportement en dégradation de ces alliages devaient être améliorées pour répondre aux besoins cliniques. Dans cette perspective, une série de nouveaux alliages du système Fe–Mn ont été élaborés et étudiés. L'objectif est d'obtenir des propriétés physiques et mécaniques similaires à celles de l'acier inoxydable 316L (SS316L) et un comportement à la dégradation mieux adapté à l’environnement physiologique humain que le fer pur et les alliages de magnésium. Quatre alliages de fer contenant 20 à 35% de manganèse ont été préparés par les techniques de la métallurgie des poudres, puis par la suite ils ont subi plusieurs cycles de laminage à froid et de frittage. Les résultats de ces travaux ont montré que la microstructure des alliages Fe–Mn est principalement composée d’une phase austénitique et de traces de phases martensitiques chez les alliages contenant moins de manganèse. Les alliages sont non–ferromagnétiques, leur susceptibilité magnétique étant inférieure à celle du SS316L. Contrairement au SS316L, cette susceptibilité magnétique demeure constante après écrouissage. Les propriétés mécaniques des alliages Fe–Mn approchent celles du SS316L. Leur limite d'élasticité diminue de 420 à 210 MPa et leur allongement à la rupture augmente de 5 à 32% quand la teneur en manganèse augmente de 20 à 35%. Pendant un essai in vitro, les alliages se dégradent par corrosion. Les produits de dégradation sont des couches d’hydroxydes de fer et de calcium/phosphore. Les taux de corrosion mesurés sont plus grands que celui du fer pur, mais plus faibles que celui de l’alliage de magnésium. Le relargage des ions de fer et de manganèse dans la solution est limité par les couches de produits de dégradation. Les essais de viabilité cellulaire ont montré que les alliages de Fe–Mn inhibent faiblement l’activité métabolique des fibroblastes. Tous ces éléments confirment le potentiel des alliages Fe–Mn pour la fabrication d’un biomatériau dégradable biocompatible. / This doctoral project permitted for the first time to design, develop and study metallic alloys as degradable biomaterials. Between 2001 and 2003, commercially pure iron and magnesium alloys were evaluated for their possibility to become degradable biomaterials. In those studies, it was found that their mechanical property and degradation behaviour were not clinically well suited. In this context, a series of Fe–Mn alloys was produced with the objective to obtain physical and mechanical properties similar to those of stainless steel 316L (SS316L) and degradation behaviour more suited in human physiological environment than pure iron and magnesium alloys. Four alloys with manganese content ranging between 20 and 35 wt% were prepared via a powder metallurgy route followed by a series of cold rolling and resintering cycles. Results showed that their microstructure was mainly composed of austenitic phase with the trace of martensitic phase in alloys having lower manganese content. This microstructure resulted into a nonmagnetic behaviour of the alloys with magnetic susceptibility lower than that of SS316L. In contrast to SS316L, this magnetic susceptibility remained constant after having plastic deformation. The alloys showed mechanical property approached to that of SS316L. As manganese content increased, the yield strength decreased from 420 to 210 MPa and the elongation increased from 5 to 32%. The alloys degraded in simulated coronary artery conditions by the mechanism of corrosion. Their average corrosion rate was faster than that of pure iron and slower than magnesium alloys. The degradation products constituted of iron hydroxides and calcium/phosphorus containing layers which adhered onto the substrate. The release of iron and manganese ions into the solution was limited by the insoluble degradation layer. The cell viability assays showed that the Fe–Mn alloys possess a low inhibition effect to fibroblast cells metabolic activities demonstrating their potentiality to be a biocompatible degradable biomaterial.

En cours de vol, les hélicoptères bi-turbines peuvent subir un régime d'urgence OEI : un moteur s'arrête, alors que le moteur qui reste en fonctionnement connaît une augmentation de température. Cette problématique a motivé l'étude du comportement en fluage anisotherme du superalliage monocristallin MCNG afin que soient appréhendés les impacts d'une surchauffe à 1200°C sous charge sur son comportement en fluage à 1050°C. Suite à la séquence standard de traitements thermiques, des ségrégations chimiques persistent dans la structure dendritique du MCNG. En particulier, l'élément Re présente la plus grande disparité de concentration : il est majoritairement ségrégé dans les dendrites. Ces disparités de composition engendrent des différences de propriétés physiques et mécaniques (taille de précipitation, misfit, dureté), ainsi que des différences de comportement de la microstructure γ/γ' lors des expositions à haute température avec ou sans chargement mécanique appliqué. En particulier, le misfit plus élevé dans les dendrites, ainsi que la taille de précipitation plus faible, favorisent la dissolution de la phase γ' dans ces zones lors de maintiens à 1250°C. En fluage à 1050°C / 140 MPa, le misfit plus élevé dans les zones dendritiques est à l'origine de la mise en radeaux plus rapide dans ces régions alors qu'après la mise en radeaux, l'évolution de la microstructure γ/γ' est plus marquée dans les zones interdendritiques (déformation locale de γ, désorientation des interfaces γ/γ', épaississement du γ' et inversion topologique). Lors du fluage isotherme à 1050°C / 140 MPa, condition sur laquelle est simulée une surchauffe OEI, le stade tertiaire de fluage couvre 60% de la durée de vie du matériau. Ce comportement macroscopique particulier est attribué à la déstabilisation précoce de la microstructure γ/γ'. Après une surchauffe OEI, le MCNG présente une vitesse de déformation de fluage accrue qui conduit à un abattement de la durée de vie par rapport à la condition de fluage isotherme. Les observations microstructurales montrent qu'un OEI accélère la déstabilisation de la microstructure γ/γ' par rapport à l'isotherme, ce qui précipite le déclenchement du stade tertiaire de déformation. Le comportement du MCNG en fluage isotherme et anisotherme a été modélisé sur la base d'une loi de comportement viscoplastique de type Chaboche, dans laquelle ont été introduites de nouvelles variables internes capables de prendre en compte les évolutions microstructurales.

Les premières observations de l'émission d'électrons Auger au cours du bombardement ionique d'une cible solide remontent à 1965 (Snoek et al. 11) dans le cas d'électrons caractéristiques des particules projectiles, et à 1967 (Hennequin et al. 12) dans le cas d'électrons caractéristiques des atomes cibles. Il existe actuellement une soixantaine de publications sur le sujet, mais les publications étrangères n'apparaissent qu'à partir de 1974, certains auteurs semblant même avoir incidenment redécouvert le phénomène. L'émission Auger lors de collisions en phase gazeuse a fait aussi l'objet de nombreuses études durant la même période. La connaissance précise des conditions mécaniques de la collision et l'existence d'états électroniques bien définis, tant avant qu'après la désexcitation par effet Auger, facilitent considérablement l'interprétation des expériences. La théorie de Fano et Lichten 1960 est maintenant bien établie : certaines des orbitales moléculaires formées lors de la collision de deux particules sont promues vers des niveaux moins liés et, après interaction avec une orbitale incomplète, peuvent conduire à la formation d'un trou électronique interne dans l'un ou l'autre des partenaires. Plus généralement, ce sont les progrès récents de la physique des collisions qui permettent maintenant de comprendre l'ensemble du mécanisme de l'émission Auger à partir des solides. Il existe naturellement un lien entre -l'émission d'électrons Auger et l'émission d'ions secondaires durant le bombardement ionique d'un solide. Ce lien est même direct dans le cas des ions rapides ou multichargés qui sont formés par désexcitation Auger, à l'extérieur de la cible, d'atomes éjectés ayant conservé un trou électronique interne : c'est le modèle de l'émission cinétique de Joyes 1975. C'est d'ailleurs à la suite d'une suggestion de Castaing, et pour interpréter l'émission d'ions secondaires, que l'étude de ce lien a été entreprise tant sur le plan expérimental que théorique. L'émission Auger permet en outre d'atteindre une meilleure connaissance des collisions les plus violentes à l'intérieur d'un solide, et c'est dans cet esprit que le présent travail a été réalisé. Plus précisément, nous avons cherché à mieux déterminer dans quelle mesure les conclusions théoriques de la physique des collisions peuvent être utilisées pour rendre compte des résultats expérimentaux relatifs à l'émission Auger des solides et prévoir l'influence de la nature de la cible et du projectile sur les caractéristiques de cette émission. D'abord un rappel théorique nécessaire à l'interprétation des résultats expérimentaux, nous suivrons les étapes conduisant à l'émission d'un électron Auger à la suite de l'impact de l'ion primaire sur les atomes de la cible : la création d'une cascade de collisions dans le solide, l'excitation d'un niveau électronique interne au cours d'une collision violente, la désexcitation par effet Auger au cours de la migration de la particule excitée et enfin la sortie de l'électron à l'extérieur de la cible. Puis la description des propriétés des dispositifs expérimentaux que nous avons réalisés pour cette étude. Ensuite, dans les deux chapitres suivants, nous étudierons les collisions responsables de l'émission des électrons Auger caractéristiques soit du projectile, soit de la cible. Dans le premier cas (chapitre III), nous nous intéresserons essentiellement à l'émission des électrons Auger de l'argon lors du bombardement de diverses cibles par des ions Ar d'énergie comprise entre 2 et 16 keV et pourrons montrer ainsi le bon accord entre les expériences sur les solides et les interprétations théoriques fondées sur les collisions atomiques et la promotion des orbitales moléculaires. Une fois établi cet accord, il nous sera possible (chapitre IV) d'étendre cette interprétation à l'émission des électrons Auger caractéristiques de la cible, pour lesquels la situation est compliquée par le fait que l'énergie de collision est mal connue et qu'un doute peut subsister sur la nature de la collision responsable de l'excitation : collision symétrique entre deux atomes identiques de la cible ou collision asymétrique entre l'ion incident et l'un des atomes de la cible. Dans le cas des métaux légers, magnésium et aluminium, nous montrerons que la proportion des collisions asymétriques est une fonction croissante de l'énergie des ions incidents, mais reste faible dans notre domaine d'énergie (2 - 16 keV). Les résultats que nous présentons ont pour la plupart fait l'objet de publications antérieures.