Gamma-TiAl is an ordered intermetallic compound characterized by high strength to density ratio, good oxidation resistance, and good creep properties at elevated temperatures. However, it is intrinsically brittle at room temperature. This thesis investigates the potential for the use of grinding to process TiAl into useful shapes. Grinding is far from completely understood, and many aspects of the individual mechanical interactions of the abrasive grit with the material and their effect on surface integrity are unknown. The development of new synthetic diamond superabrasives in which shape and size can be controlled raises the question of the influence of those variables on the surface integrity. The goal of this work is to better understand the fundamentals of the abrasive grit/material interaction in grinding operations. Experimental, analytical, and numerical work was done to characterize and predict the resultant deformation and surface integrity on ground lamellar gamma-TiAl. Grinding tests were carried out, by analyzing the effects of grit size and shape, workpiece speed, wheel depth of cut, and wear on the subsurface plastic deformation depth (PDD). A practical method to assess the PDD is introduced based on the measurement of the lateral material flow by 3D non-contact surface profilometry. This method combines the quantitative capabilities of the microhardness measurement with the sensitivity of Nomarski microscopy. The scope and limitations of this technique are analyzed. Mechanical properties were obtained by quasi-static and split Hopkinson bar compression tests. Residual stress plots were obtained by x-ray, and surface roughness and cracking were evaluated. The abrasive grit/material interaction was accounted by modeling the force per abrasive grit for different grinding conditions, and studying its correlation to the PDD. Numerical models of this interaction were used to analyze boundary conditions, and abrasive size effects on the PDD. An explicit 2D triple planar slip crystal plasticity model of single point scratching was used to analyze the effects of lamellae orientation, material anisotropy, and grain boundaries on the deformation.

Industrial and power generation processes employ units like boilers and gasifiers to burn sulfur containing fuels to produce steam and syn gas (H2 and CO), which can generate electricity using turbines and fuel cells. These units often operate under environments containing gases such as H2S, SO2, O2 etc, which can attack the metallic structure and impose serious problems of corrosion. Corrosion control in high temperature sulfur bearing environments is a challenging problem requiring information on local gaseous species at the surface of alloy and mechanisms of degradation in these environments. Coatings have proved to be a better alternative for improving corrosion resistance without compromising the bulk mechanical properties. Changes in process conditions may result in thermal and/or environment cycling between oxidizing and sulfidizing environments at the alloy surface, which can damage the protective scale formed on the alloy surface, leading to increase in corrosion rates. Objective of this study was to understand the effect of fluctuating environments on corrosion kinetics of carbon steels and develop diffusion based coatings to mitigate the high temperatures corrosion under these conditions. More specifically, the focus was : (1) to characterize the local gaseous environments at the surface of alloys in boilers; (2) optimizing diffusion coatings parameters for carbon steel; (3)understand the underlying failure mechanisms in cyclic environments; (4) to improve aluminide coating behavior by co-deposition of reactive elements such as Yttrium and Hafnium; (5) to formulate a plausible mechanism of coating growth and effects of alloying elements on corrosion; and (6) to understand the spallation behavior of scale by measuring stresses in the scales. The understanding of coating mechanism and effects of fluctuating gaseous environments provides information for designing materials with more reliable performance. The study also investigates the mechanism behind the effect of REs on scale adhesion and sulfidation behavior. Thus, the present work will have a broad impact on the field of materials and coatings selection for high temperature industrial environments such as boilers and gasifiers, and provides information on RE-modified aluminized coatings on carbon steel as an alternative for the use of bulk superalloys under high temperature sulfur bearing environments.

Au cours de ce travail, des revêtements intermétalliques TiAlx (x=1,2,3) ont été élaborés sur des substrats à base titane : le titane pur et l’alliage commercial, TA6V. L’objectif était de réaliser des revêtements d’aluminiure en surface et d’étudier le comportement des matériaux revêtus vis-à-vis de l’oxydation à haute température sous air, sous air enrichi en vapeur d’eau et en présence de soufre. Les matériaux revêtus ont été testés à trois températures : 700°C, 800°C et 900°C. Les revêtements ont été réalisés à 1000°C par la méthode de cémentation en caisse. Les revêtements réalisés par ce procédé sont toujours adhérents au substrat. Pendant la réaction d’oxydation, l’existence d’un processus de rétrodiffusion de l’aluminium modifie la nature des phases et l’organisation du revêtement. Les phases TiAl et TiAl2 ne sont pas suffisamment riches en aluminium pour promouvoir la formation d’une couche d’alumine protectrice quelle que soit la température d’oxydation. Lorsque ce sont ces phases qui sont à la surface du revêtement, on assiste toujours à la formation d’une couche superficielle de rutile TiO2. Quand elle constitue la sous-couche externe du revêtement, la phase TiAl3 est assez riche en aluminium pour former une couche d’alumine -Al2O3 couvrante, compacte et protectrice. / During this study, intermetallic coatings TiAlx (x=1,2,3) were performed on titanium substrates: pure titanium and the commercial alloy, TA6V. The aim of this study was to elaborate aluminiure coatings on the surface and characterize the behaviour of these coated materials in oxidation at high temperature under air laboratory, under air enriched with water vapour and with sulfur. The coated materials were tested at three temperatures: 700°C, 800°C and 900°C. The coatings were realized at 1000°C by the pack-cementation process. The coatings realized are always adherent to the substrate. During oxidation the retrodiffusion of aluminium changes the nature of the phases and the organisation of the coating. TiAl and TiAl2 phases are not enough rich in aluminium to promote the formation of a protective alumina layer, whatever the temperature. When these phases are present on the surface of the coating, we always observe the formation of a TiO2 rutile top layer. When TiAl3 is the external sub-layer of the coating, this phase is rich enough in aluminium to form an -Al2O3 alumina layer, which is covering, compact and protective.

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En raison de leur bonne résistance mécanique à haute température, les superalliages base nickel sont employés dans les turbines aéronautiques et de production d’énergie. Ils doivent alors être capables de résister aux phénomènes d’oxydation « sèche » intervenant entre 900 et 1500°C. Ces matériaux sont donc protégés par des revêtements à base d’aluminure de nickel (β-NiAl). De plus, dans les sections les plus chaudes des turbines (T>1050°C), une barrière thermique (BT) est ajoutée afin de diminuer l’impact de la température sur le substrat. Dans le cadre du projet de recherche Européen « PARTICOAT », le travail décrit dans cette thèse a porté sur l’élaboration d’un système complet de revêtements protecteurs (BC+BT) à l’aide d’un procédé en une seule étape, à partir d’une barbotine obtenue par dispersion de microparticules d’Al dans une base aqueuse, milieu susceptible de satisfaire aux directives environnementales européennes. Des caractérisations rhéologique et physico-chimique ont montré la stabilité de la barbotine jusqu’à sept jours. Après dépôt de cette dernière par pulvérisation, un traitement thermique adapté a conduit, via la formation intermédiaire d’Al liquide, à l’obtention d’un revêtement d’aluminure de nickel (β-NiAl) comparable à ceux obtenus par les procédés industriels actuels. L’oxydation des particules d’Al permet la formation simultanée d’une « mousse » d’alumine (concept PARTICOAT) superficielle. Après validation des mécanismes réactionnels mis en jeu sur un substrat modèle de nickel pur, l’extrapolation du procédé à différents superalliages base nickel (René N5 (SX), CM-247 (DS), PWA-1483 (SX) et IN-738LC (EQ)) a donné des revêtements présentant différentes compositions et microstructures. Un intérêt particulier a alors été porté sur l’étude de l’influence des éléments d’alliage (Cr, Ta, Ti) et de leur ségrégation au sein du revêtement. Le comportement à haute température des échantillons revêtus a pu être évalué à l’aide de tests d’oxydation isotherme (1000h sous air entre 900 et 1100°C). Il a ainsi été montré que les phénomènes d’oxydation et d’interdiffusion régissent les mécanismes de dégradation. Par ailleurs, l’électrodéposition de cérine préalablement à l’application du procédé de revêtement PARTICOAT a permis de limiter fortement les phénomènes d’interdiffusion et de stabiliser la couche d’aluminure de nickel. / Because of their good mechanical resistance at high temperature, Ni-based superalloys are used for aero-engine and land-based turbines but undergo “dry” oxidation between 900 and 1500°C. These materials are thus coated with nickel-aluminide coatings (BC). An additional thermal barrier coating (TBC) is generally applied in the hottest sections of the turbines (T>1050°C) to lower the impact of the temperature on the substrate. In the framework of the European research programme “PARTICOAT”, this PhD work was focused on the growth mechanisms of a full protective coating system (BC+TBC) in a single step process, using a water-based slurry containing a dispersion of Al micro-particles to satisfy the European environmental directives. The rheological and physico-chemical characterizations showed the slurry stability up to seven days. After depositing the latter by air spraying, a tailored thermal treatment resulted in a nickel-aluminide coating (β-NiAl) similar to the conventional industrial ones but through an intermediate Al liquid phase stage. Simultaneously, the oxidation of the Al micro-particles brought aboutthe formation of a top alumina “foam” (PARTICOAT concept). After a validation step of the mechanisms involved in pure Ni substrate, the extrapolation of the process to several Ni-based superalloys (René N5 (SX), CM-247 (DS), PWA- 1483 (SX) and IN-738LC (EQ)) revealed different coating compositions and microstructures. A particular attention was therefore paid onto the effect of alloying elements (Cr, Ta, Ti) as well as their segregation in the coating. The high temperature behaviour of the coated samples has been studied through isothermal oxidation (1000h in air between 900 and 1100°C) and showed that the oxidation and interdiffusion phenomena ruled the degradation mechanisms. Besides, the electrodeposition of ceria before the application of the PARTICOAT coating allowed to strongly limit interdiffusion phenomena and stabilized the nickel aluminide coating.

Les superalliages base nickel sont couramment utilisés dans les parties chaudes des turbines aéronautiques et de production d’énergie. Les températures employées, supérieures à 900°C, nécessitent de concevoir des revêtements protecteurs pour lutter contre les phénomènes d’oxydation. Les revêtements couramment utilisés, composés pour la plupart de la phase β-NiAl, permettent de retarder les phénomènes de dégradation en développant une couche d’alumine. Dans les sections les plus chaudes, une barrière thermique composée de céramique, associée à un système de refroidissement interne complètent le dispositif de protection en permettant d’abaisser la température effective au niveau du substrat métallique.Ces revêtements sont cependant onéreux et utilisent de nombreux produits polluants. Les travaux de cette thèse, qui s’inscrivent dans le cadre du projet européen Particoat, se proposent d’élaborer un système barrière thermique en une seule étape reposant sur l’application d’une barbotine à base aqueuse comprenant des microparticules d’aluminium, suivi d’un traitement thermique approprié. L’aluminium contenu dans les sphères devient liquide puis réagit avec le substrat pour former une couche d’intermétallique riche en aluminium par diffusion à l’état solide. Simultanément les coquilles des sphères s’oxydent pour former une structure mousse en surface du substrat qui va conférer au système son isolation thermique. La cohésion des deux parties est assurée par l’oxyde thermique qui se forme à la surface du revêtement inter métallique. Les mécanismes mis en jeu lors des différentes étapes, ont été étudiés sur un substrat modèle, le nickel, ainsi que sur trois superalliages industriels (René N5, PWA 1483 et CM-247). Les revêtements ainsi élaborés ont été testés en condition d’oxydation isotherme et cyclique entre 900 et1100°c pour le nickel et entre 1000 et 1100°C pour les superalliages revêtus. L’ensemble montre une bonne résistance du système barrière thermique élaboré par barbotine. / Nickel superalloys are commonly used in the high temperature sections of aero- and land-based turbines blades. Protection of these materials by coatings is required to improve their resistance to oxidation beyond 900°C. The conventional process consists of a β-NiAl, which allows to form a protective alumina scale with alow oxidation kinetic. In the hottest parts of the turbine, a ceramic is used as a thermal barrier coating in addition to an internal cooling system in order to diminish the temperature seen at the metallic substrate surface. However, these existing methods are expensive, long and pollutant. Thus, this PhD thesis aims at producing a new thermal barrier system in one step, in the frame of the European project Particoat. Its concept is to apply on the substrate an aqueous slurry containing aluminum microparticles. Then, during an appropriate heat treatment the metallic particles sinter and oxidize completely resulting in a quasi-foam structure made of alumina hollow spheres (TBC). Simultaneously, the diffusion of the Al into the substrate creates a bond coat below the TBC. This coating formation is studied on model alloy (pure nickel) and on three different superalloys (René N5, PWA-1483 and CM-247). The pure nickel coated system is tested during isothermal and cyclic oxidation between 900°C and 1100°C whereas the degradation of the superalloys is realized upon cyclic oxidation at 1000°C and 1100°C. The overall results show a good resistance of this new thermal barrier system, enlightened by an industrial aluminide coatings comparison.

Les systèmes barrières thermiques protégeant les aubes de turbine sont des multicouches constitués d’une couche céramique isolante appliquée sur un superalliage par l’intermédiaire d’une couche de liaison qui, dans les systèmes actuels est à base de NiAl(Pt). Pour en comprendre et décrire le comportement thermomécanique, il est nécessaire de connaître le comportement de chaque couche, en particulier celui de la couche de liaison dont le rôle est critique. Nous avons employé une technique originale, la microindentation instrumentée à chaud (jusqu’à 850°C), pour obtenir des informations sur le comportement mécanique de matériaux de couches de liaison. Il a fallu d’abord fiabiliser le dispositif pour minimiser les effets d’oxydation et caractériser la stabilité thermique pour s’assurer de la validité et la reproductibilité des résultats. Un second volet a consisté à mettre en place une méthode de traitement de données et une méthode d’analyse inverse des résultats associant une approche analytique et une simulation de l’essai par éléments finis. Les essais menés sur des matériaux massifs élaborés sous forme de couples de diffusion pour explorer une large gamme de compositions ont permis de déterminer la loi de comportement élastoviscoplastique du composé NiAl(Pt) sous forme [bêta] et sous forme martensitique. Des propriétés mécaniques ont été également été déterminées sur les composés NiAl(Ru) et NiAl(Zr) envisagés pour des systèmes futurs. L’influence des divers éléments (Al, Pt et Ru) a pu ainsi être mise en évidence. Finalement des essais ont été effectués sur des couches de liaison de barrière thermique et les résultats corrélés à ceux obtenus sur matériaux massifs / Thermal barrier systems, which protect turbine blades, are multilayers constituted of an insulating ceramic layer applied on a metallic bondcoat itself in contact with the superalloy substrate. A widely used bondcoat is composed of a NiAl(Pt) compound. In order to understand and describe the thermomechanical behaviour of such systems, it is required to know the mechanical behaviour of each layer, in particular that of this bondcoat whose role is critical for maintaining the integrity of the systems. In this study, we have employed an original technique – high temperature instrumented microindentation, up to 850°C – to extract information on the mechanical behaviour of bondcoat materials. A preliminary phase consisted in improving the experimental procedure - in particular to minimise oxidation phenomena - and in characterising the thermal stability of the equipment at high temperature to ensure the reliability, validity and reproducibility of the results obtained. We have then developed a systematic data treatment and an inverse problem analysis combining analytical approaches and a FEM simulation of the experiment to extract a mechanical behaviour law of the materials investigated. Tests performed on bulk diffusion couples, selected to explore a wide range of compositions representative of aging bondcoats, permitted to extract an elastic viscoplastic behaviour law of NiAl(Pt), both in the B2 phase and in the martensitic phase. Some mechanical properties could also be determined on NiAl(Ru) and NiAl(Zr) systems. Finally the results of a few tests performed on thermal barrier bondcoats could be correlated with the results obtained on bulk materials

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den besonderen elektronischen Eigenschaften der Übergangsmetall-Aluminide. In Anlehnung an die Quasikristalle und ihre Approximanten zeigt sich, dass selbst Materialien mit kleinen Einheitszellen die gleichen überraschenden Effekte aufweisen. So gibt es unter den Übergangsmetall-Aluminiden auch semimetallische und halbleitende Verbindungen, auch wenn sie aus klassisch-metallischen Komponenten wie Fe, Al oder Cr bestehen. Diese Eigenschaften sind außerdem mit einem tiefen Pseudogap bzw. Gap in der Zustandsdichte und starken kovalenten Bindungen gekoppelt. Bindungen werden im Rahmen dieser Arbeit durch zwei wesentliche Eigenschaften beschrieben. Erstens durch die Bindungsladung und zweitens durch die energetische Auswirkung der Bindung. Es ergibt sich, dass im Fall halbleitender Übergangsmetall-Aluminide zum einen eine Sättigung von bestimmten Bindungen, wie auch ein bindungs-antibindungs-Wechsel bei der Fermi-Energie vorliegt. Mit der Analyse der Nahordnung in Form der sogenannten lokalen Koordinationspolyeder ist es gelungen, eine einfache Regel für Halbleiter aufzustellen, die Fünffachkoordination für Al. Diese Regel besagt, dass Aluminium-Atome mit ihren drei Valenzelektronen nicht in der Lage sind, mehr als fünf gesättigte Bindungen zu ihren nächsten Übergangsmetall-Nachbarn aufzubauen. In exzellenter Übereinstimmung mit den in Annahme gleichartiger Bindungen theoretisch vorhergesagten Bindungswinkel ergibt sich, dass alle binären Übergangs-Aluminid-Halbleiter für die Al-Atome die gleiche Nahordnung aufweisen. Typische Werte für spezifische Widerstände der untersuchten Materialien bei Raumtemperatur liegen im Bereich von einigen 100µOhm cm, was weit größer ist als einige 10µOhm cm wie im Fall der unlegierten Metalle. Überraschend ist außerdem eine hohe Transportanisotropie mit einem Verhältnis der spezifischen Widerstände bis zu 3.0. Eine wesentliche Errungenschaft der Arbeit kann in der Verknüpfung der Eigenschaft des elektronischen Transports und der Bindungseigenschaften gesehen werden. Die geringen Leitfähigkeiten konnten durch geringe Werte in der Zustandsdichte (DOS) und einem bei gleicher Energie stattfindenden bindungs-antibindungs-Wechsel erklärt werden.

Les superalliages à base nickel des turbines aéronautiques sont susceptibles de subir des phénomènes de corrosion et/ou d’oxydation à haute température par les environnements agressifs rencontrés en service. Aussi, des revêtements d’aluminure sont appliqués par dépôt chimique afin d’assurer la protection des pièces contre ces phénomènes. La dégradation progressive de ces revêtements mène à la nécessité de les enlever afin d’en appliquer des nouveaux. Les bains chimiques industriels pour enlever les revêtements et les oxydes sont très toxiques, polluants et plutôt empiriques. Ainsi, ce travail de thèse se proposait d’étudier une méthode alternative et originale, par voie électrochimique permettant de contrer les limitations des approches chimiques. La voie électrochimique par application d’un potentiel (mode potentiostatique) a été étudiée afin de procurer la sélectivité entre le substrat et le revêtement lors de la dissolution, ainsi que le contrôle in-situ du procédé à l’aide d’une cellule à 3 électrodes. La faisabilité de la méthode a d’abord été démontrée, puis différentes procédures (par cycles cathodique/anodique, en continu et, parfois, avec modification du potentiel imposé) ont été développées. Nous avons pu mettre en relation les états métallurgiques des systèmes revêtement/substrat avec leur comportement électrochimique et avons mis également en lumière que le taux de dissolution est principalement gouverné par la concentration d’aluminium dans le revêtement alors que lorsque le platine est incorporé à ce même revêtement, le taux de dissolution est homogène. De même, nous avons démontré par XPS et par MET que la teneur en chrome modifie de manière significative l’homogénéité du décapage lors des phases de polarisation cathodique par un mécanisme de passivation de la surface, qui bloque l’activité électrochimique. Cependant, la tenue en oxydation cyclique des revêtements décapés par voies chimique et électrochimique n’a pas pu véritablement être démontrée car les revêtements avaient une microstructure différente. Enfin, des essais sur pièces de turbine ont montré le haut degré de sélectivité de l’approche ici étudiée. / Nickel based superalloys of aeronautical turbines are subjected to high temperature oxidation and/or corrosion in service conditions. Thus, protective aluminide coatings are applied onto the parts by chemical vapor deposition. The degradation of the coatings with time requires them to be removed prior to recoating the parts. The chemical baths industrially employed are toxic, polluting and quite empirical. Therefore, this thesis aimed at studying an alternative and original electrochemical method to circumvent the drawbacks of the chemical approach. Fixed potentials (potentiostatic mode) were thus applied to provide selectivity between the coating and the substrate upon the dissolution process, as well as to ensure in-situ control through a 3-electrode cell. The feasibility of the method was first demonstrated, then different procedures (cathodic/anodic cycles; continuous anodic and sometimes with modification of the potential) were investigated. The correlations between the metallurgical phases of the coating/substrate systems were elucidated. It also appeared that dissolution is mainly governed by the concentration of aluminium in the coating whereas the incorporation of platinum to the coating brought about the homogeneous dissolution. In addition, XPS and MET confirmed the hypothesis by which the chromium content drastically change the stripping homogeneity upon the cathodic polarization step by passivation of the surface and the subsequent electrochemical blocking. However, the results on the cyclic oxidation behaviour of the coatings priorly stripped chemically or electrochemically were not conclusive enough as the microstructure of the original coatings was different. Finally, quite a few stripping trials were carried out onto real turbine parts that confirmed the high selectivity of the electrochemical approach studied.

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