Le Cold Spray Basse Pression est un procédé de projection thermique émergeant de plus en plus apprécié par les industriels pour sa simplicité, son faible coût et sa polyvalence. Pour améliorer encore les caractéristiques des dépôts, des substrats en aluminium ont été préalablement texturés par laser, sous la forme de trous de dimensions variables répartis selon un motif régulier, avant d’être revêtus de cuivre. Une optimisation géométrique de la surface a alors permis d’augmenter l’adhérence de dépôts Cu/Al2O3 de +81% par rapport à un substrat brut. Ces résultats sont analysés, notamment à l’aide d’un modèle mathématique développé durant la thèse permettant de calculer l’augmentation de surface induite par la texturation. De plus, une caractérisation des contraintes résiduelles par DRX à travers l’épaisseur a mis en évidence l’uniformité des contraintes en compression dans le dépôt. Dans un second temps, des dépôts de cuivre ont été réalisés sur des substrats en composite PEEK/Carbone. La nécessité d’avoir une couche de matrice organique à la surface du composite a été mise en évidence afin d’éviter une érosion du substrat et permettre la construction du dépôt. Une stratégie de projection basée sur une variation de la granulométrie des poudres en cours de projection a également été développée afin de réduire le taux de porosité et obtenir des dépôts conducteurs électriquement. En complément de ce volet expérimental, un modèle numérique 3D en dynamique a été développé sur Abaqus/Explicit. Il permet d’étudier l’influence des paramètres de projection et de l’état de surface du substrat sur la déformation des particules lors de l’impact et les contraintes résiduelles induites. / Low Pressure Cold Spray is an emerging thermal spraying process increasingly appreciated in the industry for its simplicity, low cost and versatility. In order to enhance coatings characteristics, aluminum substrates were laser-textured with holes of varying dimensions distributed in a regular pattern before being coated with copper. An optimization of the holes dimensions led to an increase of the adhesion for Cu/Al2O3 coatings by +81% compared to a raw substrate. These results were analyzed using a mathematical model developed during the thesis allowing to calculate the surface increase induced by the laser texturing. Moreover a characterization of the residual stresses by XRD through the thickness revealed the uniformity of compressive stresses in the deposit. In a second time copper deposits were made on PEEK/Carbon composites. The need to have an organic matrix layer on the composite surface has been highlighted in order to avoid substrate erosion and allow the coating construction. A spraying strategy based on a variation of the powders granulometry being sprayed has therefore been developed in order to reduce the porosity and obtain electrically conductive coatings. In addition to this experimental aspect, a 3D dynamic model has been developed on Abaqus/Explicit. This model allowed to study the influence of the projection parameters and the substrate surface state on the particles deformation during the impact and the induced residual stresses.

L’incendie reste un des sujets redoutés par les industries, les services et autres moyens de production. Ce phénomène par définition incontrôlé dans le temps et dans l’espace est souvent responsable de perte de vies et de biens. Deux types d’agression peuvent être répertoriés en cas d’incendie l’agression thermique par suite de génération de chaleur engendrant la destruction des matériaux et l’agression liée aux fumées toxiques et/ou corrosives, capables de se répandre au-delà du foyer incendie. Pour approfondir les connaissances sur le comportement au feu de matériaux tel que les câbles électriques, cette étude consiste à mettre au point un banc expérimental par couplage Mass Loss Cone, Spectrométrie Infrarouge à Transformée de Fourier et Impacteur Basse Pression (MLC/FTIR/ELPI). Dans l’optique de caractériser simultanément les paramètres physiques de dégradation (taux de dégagement de chaleur, flux critique, chaleur effective de combustion), les gaz et suies (qualitativement et quantitativement) dans les fumée d’incendie. Après la conception du couplage MLC/FTIR/ELPI, le développement des méthodologies compatibles avec l’analyse qualitative et quantitative des gaz et des suies : la justesse, la fiabilité et la répétabilité du banc ont été démontrées avec l’éthylène vinyle acétate/Aluminium tri-hydroxyde comme matériaux de références. Le couplage MLC/FTIR/ELPI a été ensuite appliqué sur un cas réel de câble électrique non halogéné. Il est apparu comme une proposition complète pour la caractérisation du comportement au feu des matériaux et répondre à des questions de sûreté incendie et de recherche et développement. / A bench-scale test combining mass loss cone, Fourier transform Infrared Spectroscopy and Electrical Low Pressure Impactor (MLC/FTIR/ELPI) was developed to enable simultaneous evaluation of the flammability parameters, the gases evolved (qualitative and quantitative evaluation) and the smoke particles (size distribution and concentration) generated by the combustion of the studied materials. This bench test is designed specifically to investigate the fire behaviour of manufactured products such as electric cables, as it is difficult to fully examine the latter with bench tests of the type thermogravimetry or pyrolysis - gas chromatography/mass spectrometry, which can only hold small quantities of sample (from µg to a few mg). After setting up the MLC/FTIR/ELPI coupling, methodologies were established for qualitative and quantitative analysis of evolved gases and smoke particles. Experimental trials conducted on ethylene vinyl acetate (EVA) and ethylene vinyl acetate/aluminium trihydroxide (EVA/ATH) as reference materials demonstrated that the bench test provides accurate, meaningful and repeatable results.

L'utilisation d'alliages de magnésium est d'un intérêt majeur pour l’allègement des structures dans le domaine aéronautique. Leur principal inconvénient est leur forte oxydation rendant leur coulée hasardeuse. Aujourd'hui, l’association de la simulation numérique avec les procédés automatisés d'impression 3D de moule en sable et de coulée Basse-Pression (BP) promet l’amélioration de la robustesse de fabrication tout en limitant les itérations à l’échelle industrielles. Toutefois, ces méthodes récentes souffrent d’un manque de données sur la préparation et la génération des défauts lors du remplissage des alliages comme le RZ5.Dans ce travail, après avoir défini dans quelle mesure les règles métiers actuelles de préparation des alliages Mg-Zr sont adaptées au procédé BP, des essais de coulabilité expérimentaux à l’échelle industrielle ont été développés. L’analyse des données expérimentales et de simulations numériques des écoulements permettent d’établir des modèles analytiques de prédiction du risque inclusions d’oxydes et de malvenue. Ces modèles sont utilisés pour proposer une cartographie du procédé limitant les défauts de remplissage, et pour définir une méthodologie de conception des grappes de coulée spécifique à la BP appliquée sur une pièce industrielle en RZ5. / The use of magnesium alloys has a considerable interest to reduce the mass of components in the aeronautics industry. The main drawback of magnesium alloys is their high oxidization leading to hazardous casting conditions. Nowadays, a renewed interest for magnesium alloys is related to the association of casting simulation software with Low-Pressure Casting (LPC) and sand printing. It should improve process robustness and limit the part design iterations. Nevertheless, these recent process lack of data on melt refining and the castability of magnesium alloy as RZ5 in LPC.This work proposes an experimental analysis of the actual Mg-Zr refining rules to define in what extent they are suitable in LPC process. Experimental castability tests at the industrial scale are then developed and they are compared with fluid flow simulations. They permit to establish analytical models of oxide inclusions and misrun predictions to define a process map limiting these defects. A specific LPC part design methodology is proposed and is applied on an industrial part.

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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail démontre la faisabilité de deux procédés de polymérisation d'un précurseur gazeux dans un plasma radiofréquence basse pression et liquide déposé sur un substrat activé par décharge à barrière diélectrique à pression atmosphérique pour l'obtention de couches minces de polymère. L'étude porte sur la fonctionnalisation de substrats organiques par des fonctions éther, connues pour leurs propriétés d'anti-adhésion vis-à-vis des microorganismes biologiques. Le procédé « voie sèche » par plasma radiofréquence basse pression induit la fragmentation du précurseur gazeux de façon contrôlée, à l'aide des paramètres de régulation de la décharge. Les dépôts formés sont homogènes, adhérant au substrat, stables au lavage et à la stérilisation par autoclave et possèdent un taux de rétention de la fonction C-O compris entre 70 et 80% suivant le monomère utilisé. Le procédé « voie humide » permet d'activer, par Décharge à Barrière Diélectrique à pression atmosphérique, des substrats de polystyrène et de polyéthylène à densité surfacique d'énergie contrôlée. Le précurseur est ensuite déposé en post-décharge sur le substrat prétraité, sous forme d'un nébulisât de gouttelettes microniques chargées par Pulvérisation ElectroHydroDynamique en mode cône-jet pour former un film liquide à flux de matière contrôlé. Cette étude a permis de confirmer que la polymérisation est initiée par les radicaux générés en surface du substrat formant des dépôts de quelques µm d'épaisseur. Les rendements de polymérisation dépendent alors de la densité surfacique d'énergie transférée au substrat, de la masse déposée par unité de surface et du temps entre le prétraitement et le dépôt.

L'objectif de ce travail a été la mise au point de deux procédés de traitement de surface par voie plasma destinés à l'amélioration des propriétés de résistance à la corrosion d'un acier (HLE S235). Des films d'oxyde de silicium (SiOxCy) ont été déposés sur des substrats d'acier par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) à basse pression et à pression atmosphérique. L'héxaméthyldisiloxane (HMDSO), qui est un organosilicié, a été utilisé comme précurseur. Ces films affichent de très prometteuses propriétés anticorrosion et d'adhésion. Les performances de perméabilité aux gaz et aux liquides des couches déposées par plasma (PECVD) sont très fortement liées à leur composition chimique (présence de carbone, absence de silanol) et à leur structure (épaisseur, densité, volume libre etc...). Celles-ci dépendent des conditions du procédé de polymérisation, c'est à dire des paramètres du plasma tels que la pression, la puissance, le débit d'oxygène, le débit de monomère, le temps de traitement? Les analyses concernant la morphologie du dépôt ainsi que sa composition ont été nécessaires afin de caractériser les dépôts. Nous avons pu obtenir des couches épaisses, continues, lisses, peu poreuses, contenant du carbone. L'efficacité des procédés de dépôts de films d'oxyde de silicium a été validée par l'étude des propriétés de protection contre la corrosion des films par voltampérométrie et par impédancemétrie en milieu NaCl 0,5 M aéré. Pour des conditions optimales de traitement, aussi bien à basse pression qu'à pression atmosphérique, les propriétés anticorrosion ont été nettement améliorées et persistent pour des temps d'immersion importants (Rp stabilisée après 25 h). Un pré-traitement à l'oxygène à basse pression a permis d'augmenter l'adhérence des couches au substrat et donc la protection contre la corrosion pour les dépôts réalisés à basse pression et à pression atmosphérique. Les résistances de polarisation ainsi obtenues ont atteint une valeur de 191 kOhm.cm² et 550 kOhm.cm², respectivement (acier non traité : 1,2 kOhm.cm²).

Les plasmas inductifs radiofréquence basse pression sont utilisés pour la gravure de motifs nanométriques. Ces plasmas contiennent des ions négatifs et peuvent être soumis à deux types d'instabilités. La première est décrite par des oscillations de relaxation entre les modes de couplage de l'énergie capacitif (E) et inductif (H). Les mesures temporelles au cours de ces oscillations sont conformes aux résultats publiés. L'autre instabilité, liée au transport des espèces chargées, n'existe que lorsque le plasma peut diffuser. Des mesures spatio-temporelles montrent que les fluctuations des paramètres plasma sont liées à la formation et à la propagation périodique d'une double couche d'amplitude moyenne. Cette double couche est une gaine interne séparant un plasma haute densité, forte temp! érature électroniques et sans ions négatifs dans la source d'un plasma faible densité, faible température électronique et de forte fraction d'ions négatifs dans la chambre de diffusion. Cette double couche propagative apparaît lorsque la fraction d'ions négatifs dépasse un seuil. Sous ce seuil, la double couche est statique et disparaît pour des fractions d'ions négatifs très faibles. Les transitions entre ces trois états sont soumises à une forte activité acoustique ionique. L'ajout d'un champ magnétique modifie le chauffage des électrons par absorption de l'onde hélicon (mode W). Des oscillations de relaxation H/W ont été observées dans une fenêtre restreinte de paramètres. D'autre part, le confinement des espèces chargées est modifié: au centre, le plasma ne contient pas d'ions négatifs; au bord, le plasma ne contient plus d'électrons, un plasma ions - ions a été créé.

Dans les analyses de sûreté du futur réacteur à fusion ITER, on anticipe un accident de perte de vide susceptible de mettre en suspension des particules produites et déposées sur les parois du tore. L’objectif de cette thèse est de fournir des données expérimentales fiables afin de développer et valider un modèle de mise en suspension (MES), prenant en compte la basse pression et prévoyant les fractions de particules mobilisées lors d’un tel évènement. Pour ce faire, des expériences ont été effectuées en fonction des paramètres clés — diamètre des particules, vitesse de frottement et masse volumique — entrant dans le mécanisme de MES. L’analyse de la granulométrie des particules de tungstène produites en tokamak met en évidence des diamètres allant de 0,1 à 10 µm. Les résultats expérimentaux de MES de dépôts monocouche sont en bon accord avec le model Rock’nRoll lorsque les particules sont uniquement mobilisée par le fluide. Cependant, une mobilisation des particules fines par agglomération, non prise en compte dans les modèles de MES, a été mise en évidence. Mes expériences ont aussi révélé l’importance de la structure (porosité et épaisseur) des dépôts multicouches dans le mécanisme de MES avec, là encore, une mobilisation par agglomération de particules. L’effet de la basse pression dans la mise en suspension a été étudié entre 10 et 1 000 mbar et doit se poursuivre à plus basse pression. Mes résultats de MES montrent une réduction du frottement dans les forces aérauliques à basse pression. Enfin, les mesures de la cinétique du phénomène de MES ont mis en évidence trois zones distincts avec un effet à court terme, un effet à long terme et une zone de transition qui devront être pris en compte dans un calcul de MES. / In ITER, a loss of vacuum accident is likely to re-suspended particles produced and deposited on the torus walls. The thesis purpose is to provide reliable experimental data to develop and validate a re-suspension model, taking into account the low pressure and predicting the amount of particles mobilized during such event. Experiences were carried out as a function of key parameters — particle diameter, friction velocity and density of the atmosphere — entering in the re-suspension mechanism. The size distribution of tungsten particles specific to fusion reactors was obtained from a collection in the AUG tokamak: modes at 0,8 µm and at 1,6 µm. The adhesion forces, adjustment parameters of most re-suspension models, were measured by Atomic Forces Microscopy (AFM). Experimental data of re-suspension of monolayer and multilayers deposits were acquired in two wind-tunnels: BISE-II (Saclay) and AWTS-II (Aarhus). For the monolayer deposits, the re-suspended particle fractions were measured by size bins, for friction velocities of 1.0 and 1.5 m.s-1 at 1,000 mbar, and of 1.0 m.s-1 at 300 mbar. Regarding the multilayers deposits, the re-suspension was measured for five surrounding pressures (25, 60, 10, 300 and 1,000 mbar), constituting a valuable data base for the development of a re-suspension model taking into account the mobilisation by particle clustering and the effect of a low pressure. Finally, measurements of the MES phenomenon kinetic highlighted three distinct regions with a short-term effect, long-term effect and a transition region which must be taken into account in a MES calculation.

La technologie de projection plasma sous basse pression a attiré l’attention de nombreux chercheurs comme une nouvelle technique qui permet d’établir un pont entre la projection thermique conventionnelle et le dépôt physique en phase vapeur. Ainsi, cette technologie étend les limites de projection thermique classique et augmente également la vitesse de croissance des dépôts par rapport aux procédés PVD ou CVD classiques. Cette technique peut évaporer totalement ou partiellement les poudres injectées et mener à la réalisation de revêtements à microstructure colonnaire et/ou plus denses, difficiles à réaliser avec des procédés de projection thermique conventionnels. La projection plasma de suspension a été effectuée pour la première fois sous basse pression. L’injection axiale de suspension avec une torche tri-cathodes permet d’augmenter l’échange enthalpique entre le jet de plasma et les poudres après l’évaporation du solvant. La spectroscopie à l’émission optique (OES) a été utilisée pour estimer la température électronique et vérifier l’existence de phase vapeur d’YSZ dans le jet de plasma. Finalement, des revêtements plus denses furent réalisés (comparés à ceux préparés par projection plasma de suspension à pression atmosphérique présentant des particules fondues, agglomérées et de la condensation de vapeur. Des tests de nano-indentation instrumentée ont été effectués sur la surface polie des dépôts réalisés. Les résultats montrent des valeurs de 5,8 GPa pour la dureté et 114,5 GPa pour le module d’élasticité, augmentant de 61% et 31%, respectivement, en comparaison avec les valeurs obtenues par SPS sous atmosphère ambiante. Les essais de projection de poudre YSZ agglomérée ont été réalisés avec une torche F4-VB dans le but de synthétiser une phase vapeur d’YSZ. On observe que les dépôts peuvent se former derrière les échantillons en céramique, sans vis-à-vis du plasma, par condensation de vapeur. En face de cette torche, des revêtements composites ont été obtenus par un mélange de poudres fondues et condensation de vapeur, simultanément. Cependant la quantité de phase vapeur est très faible dans le jet de plasma. Pour comprimer ce jet sous basse pression et afin d’améliorer l’échange d’enthalpie entre le jet de plasma et les poudres injectées, une buse rallongée a été mise en place sur la torche F4-VB. Les revêtements présentent ainsi une microstructure plus dense. Ceci est attribué à la haute vitesse des particules fondues vers le substrat suite à l’utilisation de la buse modifiée. Ce type de revêtement montre une valeur maximale de microdureté Vickers de 1273 Hv100 g. Par ailleurs, la réalisation de dépôts de carbures a été effectuée. Les résultats montrent la possibilité de former des carbures par projection plasma sous basse pression. Les revêtements composites (TiC/Ti) sont déposés par projection plasma réactif sous basse pression en utilisant le méthane comme gaz porteur. La température électronique Te calculée est d’environ 6200 K selon les résultats d’OES, ce qui est supérieur à la température d’ébullition du Ti et de TiC. Le revêtement de Ti pur présente une microstructure dense alors que TiC/Ti présente une microstructure lamellaire. Cependant, la quantité de TiC dans les revêtements est d’environ 20 vol.%. La microdureté Vickers, effectuée sur surface polie, a tendance à diminuer de 846±152 à 773±86 Hv100 g avec l’augmentation de la distance de projection. / As a new technology, the very low pressure plasma spraying has attracted attentions of many researchers, making it possible to establish a bridge between the conventional atmospheric plasma spraying (APS) and the vapor deposition (PVD or CVD). As a result, this new technology enlarges the limitation of APS and increases the deposition rate in comparison with the PVD or CVD. It is possible to evaporate partially the injected material and even evaporate completely and finally realize the columnar or dense coatings from the vapor or the mixture of vapor and liquid. The suspension plasma spraying is performed for the first time at low pressure. Taking consideration of the configuration of the three-cathode torch, the axial injection of the suspension is conducted which can increase the enthalpy change between the plasma jet and the sprayed material. The data of optical emission spectroscopy (OES) could be used to calculate the electron temperature and verify the existence of vapor of YSZ in the plasma jet. Finally, the dense coating was prepared by suspension plasma spraying at low pressure, which is composed of the melted particles, the agglomerated particles and the vapor deposition. The test of nano-indentation is conducted on the polished surface. It shows a value of 5.8 GPa for the microhardness and 114.5 GPa for the elastic modulus, increasing 61% and 31%, respectively, compared with the values obtained by SPS in the ambient atmosphere. In this study, another torch F4-VB is also conducted even of it has a low power in compared with that of O3CP torch. The powder feed rate is reduced to about 1.5 g·min-1 to achieve the vapor of YSZ taking the low power input of the torch into consideration. The columnar structure coating is realized from vapor deposition out of line of sight of projection upon the ceramic tubes. The composite structure coating is deposited by the mixture of melted particles and the vapor deposition simultaneously in front of this torch. But the quantity of vapor of YSZ is low in plasma jet. In order to compress the larger plasma jet and then improve the enthalpy change between the plasma jet and sprayed particles, an extended nozzle is prepared. It shows that the coating has a dense structure, which can be attributed to higher velocity of the melted powders. The coating shows a maximum value of microhardness Vickers up to 1273 Hv100 g. The composite coating of TiC/ Ti is realized by reactive plasma spraying using the methane as the carrier gas. The electron temperature Te is calculated to be 6200 K, which is over the boiling point of TiC and Ti. The coating Ti shows a dense structure and the composite coating TiC/Ti shows a lamellar structure. But the quantity of TiC in the composite coating is very low, about 20 vol.%. The Vickers microhardness is performed on the polished surface. It shows a decreasing tendency from 846 ± 152 to 773 ± 86 Hv100g with the increase of spraying distance. The tribological test is also implemented showing a high value of the coefficient of friction of 0.78 to 0.85, which can lead to a high abrasion. In order to synthesize a larger quantity of TiC in the composite coating, a higher power input torch should be put into action in the future.