Les nanotubes de carbone (NTCs) dopés avec différents hétéroéléments tels que l'oxygène et l'azote connaissent un intérêt croissant dans le domaine de la catalyse hétérogène comme leur utilisation en tant que catalyseur sans métaux. L'objectif de cette thèse consiste à la synthèse et la caractérisation de matériaux catalytiques à base de NTC dopés à l'azote supportés sur du carbure de silicium SiC par voie in situ (CVD) et ex-situ méthodes. Une autre approche a été utilisée pour la fonctionnalisation de la surface des nanotubes de carbone et basées sur l'utilisation d'un agent oxydant (HNO3) en phase gazeuse. Ce procédé d'oxydation crée non seulement des défauts sur la surface des nanotubes de carbone mais également décore leur surface avec des groupes fonctionnels oxygénés. Les NTCs dopés à l'oxygène et à l'azote ainsi synthétisés ont été caractérisés par différentes techniques (XPS, MEB, MET, BET, ATG). Ces catalyseurs carbonés présentent des performances remarquables en termes d'activité et de sélectivité en soufre, et une très grande stabilité sous flux en fonction du temps dans la réaction d'oxydation partielle de l'H2S en soufre élémentaire, et ce, même à vitesse spatiale de gaz élevée (WHSV) et faible rapport O2/H2S. L'influence des différentes propriétés physico-chimiques et les défauts présents sur la surface des NTC sur les performances catalytiques ont été étudiée et discutée dans le cadre de ce travail. / Carbon nanotubes (CNTs) containing different doping such as oxygen and nitrogen composites have received more and more scientific attention as metal-free catalyst in the field of heterogeneous catalysis. The aim of this thesis is related to the synthesis and characterization of nitrogen-doped CNTs decorated on SiC support using both in-situ (CVD with NH3) and ex-situ (N@C) methods. Other approach was employed for the surface functionalization of CNTs is based on the use of oxidative agent (HNO3) in gas phase. This oxidation process not only creates defects on the CNTs surface but also decorates their surface with oxygenated functional groups. The as-synthesized oxygen- and nitrogen-doped CNTs are characterized by different techniques (XPS, SEM, TEM, BET, TGA). The carbon based catalysts exhibit outstanding performances in term of activity and sulfur selectivity, and very high stability with time on stream in the partial oxidation of H2S into elemental sulfur even at high gas space velocity (WHSV) and low O2-to-H2S molar ratio. The influence of the physical-chemical properties and defects present on the CNTs surface on the catalytic performance was thoroughly investigated and discussed within the framework of this work.

Pour les réacteurs de génération IV, les carbures mixtes (U,Pu)C, avec leur grande densité en atomes fissiles et leurs excellentes propriétés thermiques, sont potentiellement des combustibles à la fois économiques (coeurs plus compacts et plus efficaces) et sûrs (marge à la fusion élevée). Un bon simulant de l’(U,Pu)C pour des études R&D sur son comportement est l’UC, puisqu’ils possèdent des structures très similaires. La synthèse par carbothermie a été utilisée car elle est la plus étudiée et celle actuellement envisagée industriellement. Cependant, elle implique la manipulation de poudres : sous air, le carbure peut réagir très violemment à température ambiante, et sous atmosphère contrôlée il est susceptible d’absorber les impuretés. Une installation inertée sous Ar, BàGCARA, a donc été utilisée. Les améliorations du procédé de fabrication ont notamment portés sur l’atmosphère de frittage afin d’évaluer l’impact sur la pureté des échantillons (vis-à-vis des quantités d’oxygène). La méthode originale d’analyse par faisceau d’ions a permis de déterminer la composition de surface (profils d’oxygène en profondeur dans les premiers 1 μm et stoechiométrie moyenne). Elle a pour la première fois été mise en oeuvre pour l’analyse de l’oxygène dans les matériaux carbonés. Les analyses DRX ont montré le passage par un intermédiaire réactionnel lors de la carbothermie et une meilleure cristallisation des échantillons fabriqués dans BàGCARA. Ils possèdent aussi une meilleure microstructure, densité et aspect visuel que ceux fabriqués par le procédé de référence. Un frittage sous vide mène à un UC plus dense avec moins de secondes phases que les frittages sous Ar, Ar/H2 ou sous contrôle de PC. Cependant, il n’a pas été possible d’analyser les carbures sans passage sous air ce qui peut impacter leur paramètre de maille et mener à leur détérioration. Lorsque l’UC est initialement exempt d’oxygène, il s’oxyde plus vite et plus intensément, de manière hétérogène. Les contraintes mécaniques induites entre les grains mènent à la fracturation du matériau et à une corrosion fissurante, puis à la décohésion du matériau. Une étude des mécanismes d’oxydation serait intéressante afin de valider et de comprendre l’évolution du matériau lorsqu’il est en contact avec l’oxygène. Une étude des mécanismes mis en jeu pourrait être envisagée par couplage des techniques d’EBSD et d’analyse par faisceau d’ions afin de vérifier s’il existe un lien entre une oxydation préférentielle des grains et leur orientation cristallographique. / Mixed carbides (U, Pu)C, are good fuel candidate for IVth generation reactors because of their high fissile atoms density and excellent thermal properties for economical (more compact and efficient cores) and safety reasons (high melting margin). UC can be imagine as a surrogate material ror R&D studies on (U,Pu)C fuel behavior, because of their similar structures. The carbothermic reaction was used because it is the most studied and now consider for industrial process. However, it involves powders manipulation : in air, carbide can strongly react at room temperature and under controlled atmosphere it can absorb impurities. An inerted installation under Ar, BàGCARA, was therefore used. Process improvements were carried out, including the sintering atmosphere in order to evaluate the impact on the sample purity (about oxygen content). The original method by ion bearn analysis was used to determine the surface composition (oxygen in-depth profiles in the first microns and stoichiometry). This oxygen analysis was set for the first time in carbonaceous materials. XRD analysis showed the formation of an intermediate compound during the carbothermic reaction and a better crystallization of the samples fabricated in BàGCARA. They also have a better microstructure, density, and visual appearance if compared to former samples. Vacuum sintering leads to a denser UC with fewer second phases if compared to Ar, Ar/H2 or controlled PC atmospheres. However, it was not possible to analyze carbides without air contact which may impact their lattice parameter and lead to their deterioration. When the carbide is initially free of oxygen, it oxidizes faster, more intensely and heterogeneously. The mechanical stress induced between the grains lead to fracturing the material, to corrosion cracking and then a debonding of the material. A study of oxidation mechanisms would be interesting to validate and understand the evolution of the material in contact with oxygen. A study of the mechanisms involved could be considered by coupling EBSD technique and ion beam analysis to check whether there is a link between a preferential oxidation of the grains and their crystallographic orientation.

Les nanomatériaux sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels, et plusieurs produits de consommation contenant des nanomatériaux sont d’ores et déjà commercialisés. Dans ce contexte d’exposition humaine croissante aux nanomatériaux, l’évaluation de leur potentiel génotoxique est d’une importance significative. Cependant, la pertinence des tests classiques de génotoxicité, développés pour des produits non nanoparticulaires, est fréquemment remise en question pour l’évaluation des nanomatériaux. Un témoin positif de référence sous forme nanoparticulaire pourrait donc constituer une avancée importante pour l’évaluation de la génotoxicité des nanomatériaux, permettant de s’assurer que les systèmes d’essais sont appropriés et/ou d’en valider de nouveaux.Dans un premier temps, nous avons étudié la possibilité d’utiliser des nanoparticules de carbure de tungstène – cobalt (WC-Co) commerciales, préalablement caractérisées sur le plan physico-chimique (distribution de taille et charge dans les milieux utilisés), comme témoin positif dans trois essais de génotoxicité in vitro. Le test de mutations géniques au locus thymidine kinase sur cellules de lymphome de souris, le test des micronoyaux étudiant les dommages chromosomiques et le test des comètes détectant les dommages primaires à l’ADN ont ainsi été réalisés, les deux derniers essais dans deux types cellulaires, la lignée de lymphome de souris L5178Y et des cultures primaires de lymphocytes humains. Nos résultats montrent que les nanoparticules de WC-Co pourraient être utilisées comme témoin positif dans ces essais de génotoxicité in vitro, selon le type cellulaire et le schéma de traitement.Nous avons ensuite étudié les mécanismes d’action impliqués dans la génotoxicité des nanoparticules de WC-Co. Le marquage des centromères dans les micronoyaux grâce à la technique d’hybridation in situ en fluorescence (FISH) montre l’implication d’évènements clastogènes et aneugènes. Ces résultats ont été confirmés par un essai d’aberrations chromosomiques sur lymphocytes humains bloqués en métaphase, avec l’observation de cassures de chromatides et de cellules polyploïdes. Par ailleurs, les mécanismes oxydants étant les plus décrits pour les nanomatériaux, nous avons étudié les lésions oxydatives à l’ADN en utilisant le test des comètes in vitro modifié avec l’enzyme de réparation de l’ADN formamidopyrimidine DNA glycosylase (FPG). Nous avons également détecté par résonance paramagnétique électronique une production de radicaux hydroxyles après mise en suspension des nanoparticules de WC-Co en présence et en absence de cellules. Dans le cadre d’études haut-débit des nanoparticules de WC-Co réalisées dans trois lignées cellulaires humaines correspondant aux principaux organes cibles pour les nanomatériaux (la lignée pulmonaire A549, la lignée hépatique Hep3B et la lignée rénale Caki-1), il a été confirmé que le stress oxydant joue un rôle important dans la toxicité des nanoparticules de WC-Co. En effet, la production d’espèces réactives de l’oxygène dans les cellules traitées avec les nanoparticules de WC-Co était corrélée avec l’observation d’une cytotoxicité et de génotoxicité, étudiée à l’aide du test de détection des foyers γH2AX.Finalement, nous avons appliqué les tests de génotoxicité les plus pertinents à l’étude de nanodiamants et de nanocapsules lipidiques, qui constituent des candidats prometteurs pour la vectorisation de principes actifs. Les tests des comètes et des micronoyaux in vitro ont ainsi été réalisés sur d’autres types cellulaires mimant des organes cibles : la lignée intestinale T84 et la lignée bronchique 16-HBE exposées à des nanodiamants de trois tailles différentes et des lymphocytes humains exposés à des nanocapsules lipidiques de 3 tailles et 3 charges différentes. / Nanomaterials are used in many industrial sectors, and many nanomaterial-containing consumer products are already available. In this context of increasing human exposure to nanomaterials, the evaluation of their genotoxicity is of significant importance. However, the relevance of routinely used genotoxicity assays, developed for non-nanoparticular products, is often questioned for the evaluation of nanomaterials. A nanoparticulate reference positive control would therefore constitute an important step to a better testing of nanomaterials genotoxicity, ensuring that test systems are actually appropriate and/or allowing the validation of new ones.Firstly, we studied the possibility of using commercially-available tungsten carbide-cobalt (WC-Co) nanoparticles, previously characterized for physicochemical properties (size distribution and charge in used media), as positive control in three in vitro genotoxicity assays. The mouse lymphoma thymidine kinase gene mutation assay, the micronucleus assay studying chromosomal aberrations and the comet assay detecting primary DNA damage were performed. The last two assays were realized in two cell types, the mouse lymphoma cell line L5178Y and primary cultures of human lymphocytes. Our results show that WC-Co nanoparticles could be used as positive control in these in vitro genotoxicity assays, according to cell type and treatment schedule.Secondly, we investigated the mechanisms of action involved in WC-Co nanoparticles genotoxicity. Detection of centromeres in micronuclei using fluorescence in situ hybridization (FISH) show the involvement of both clastogenic and aneugenic activities. This was correlated with the results of a chromosome aberration assay on human lymphocytes blocked in metaphase, showing chromatid breaks and polyploid cells. Moreover, as oxidative mechanisms are the most described for nanomaterials, we studied oxidative DNA damage using the modified in vitro comet assay with the DNA repair enzyme formamidopyrimidine DNA glycosylase (FPG). We also detected a production of hydroxyl radicals using electron paramagnetic resonance in suspensions of WC-Co nanoparticles with and without cells. While performing high-throughput assays on WC-Co nanoparticles in three human cell lines corresponding to the main target organs for nanomaterials (A549 lung cell line, Hep3B liver cell line and Caki-1 kidney cell line) it was confirmed that oxidative stress play a significant role in the toxicity of WC-Co nanoparticles. Indeed, the production of reactive oxygen species in cells exposed to WC-Co nanoparticles was correlated to the observation of cytotoxicity and genotoxicity, studied using the detection of γH2AX foci.Finally, we carried out the most relevant genotoxicity assays to study nanodiamonds and lipid nanocapsules, which constitute promising nanovectors for drug delivery. The in vitro comet and micronucleus assays were performed on other cell types mimicking target organs: the T84 intestinal epithelial cell line and the 16-HBE bronchial epithelial cell line exposed to nanodiamonds of three different sizes, and human lymphocytes exposed to lipid nanocapsules of three different sizes and three different charges.

Ce travail concerne l’étude de la corrosion et du frottement du revêtement CrNi-9,5%C déposé par projection thermique sur l’acier SAE 1010. Les études ont été réalisées sur les revêtements bruts de déposition et après traitements thermiques à l’argon dans une gamme de températures variant entre 600 et 900 °C. Il a été trouvé que le revêtement était principalement constitué de Cr3C2 et NiCr en rapport avec la température de traitement. Il a été montré que la réponse du matériau revêtu au cours d’essais potentio-dynamiques dans une solution à 3.5% NaCl dépend fortement de l’épaisseur du revêtement et de l’évolution de la microstructure au cours des traitements thermiques. Il a été ainsi montré que le traitement réalisé à 900oC sur le revêtement de 450 mm d’épaisseur permettait de réduire de 97% la densité de courant de corrosion. Cela résulte d’un phénomène de diffusion à l’état solide qui conduit à une meilleure cohésion inter-lamellaire empêchant la solution de corrosion de pénétrer. Le principal mécanisme de corrosion est galvanique et résulte de la différence remarquable entre les propriétés électrochimiques de la matrice et de celles des carbures existants dans le revêtement. Durant les essais de frottement sous une charge de 5 N du matériau revêtu contre une bille d’alumine, on observe un changement progressif du mécanisme de frottement passant d’adhésif/abrasif à abrasif, principalement, lorsque la température du traitement augmente. Toutefois, les constantes de frottement sont du même ordre de grandeur, environ 10-6 mm3/N.m, ce qui indique un comportement satisfaisant du point de vue tribologique. / The present work has been devoted to the study of the corrosion and wear behaviors of CrNi-9.5%C coatings deposited onto a SAE 1010 steel substrate by a vacuum plasma thermal spray process. The studies were carried out with the coatings both in the as-deposited condition and after heat treatment in argon, at temperatures varying between 600° to 900oC. It has been found that the coatings contained mainly Cr3C2 and NiCr, irrespective to the heat treatment temperature. It has been shown that the response of the coated systems during the potentio-dynamic tests in a 3.5% NaCl solution depends strongly, besides the coating thickness, on the microstructural coating evolution that occurs during heat treatment. It has been found that the heat treatment performed at 900oC, for the 450 mm coating thickness, allowed the reduction of approximately 97% of the corrosion current density, as a result of a solid-state diffusion phenomenon, which produced a higher lamellar cohesion, impeding the penetration of the corrosive solution. The main corrosion mechanism has been attributed to the galvanic corrosion phenomenon, as a consequence of the remarkable difference between the electrochemical properties of the matrix and those of the existing carbides in the coating. During the sliding tests, the coated systems rubbed against alumina under a 5 N normal load, indicated a progressive change in the mechanism, from a mixed adhesive and abrasive, to a predominant abrasive as the heat treatment temperature increases. However, the wear constants were found to be of the order of approximately of 10-6 mm3/N.m, indicating that a satisfactory behavior from the tribological point of view. / En el presente trabajo se estudio el comportamiento ante la corrosión y el desgaste de recubrimientos de CrNi9,5%C depositados sobre un acero SAE 1010 usando la técnica de proyección térmica de plasma al vacío (VPS). Los estudios se realizaron para los recubrimientos tanto en condición de cómo depositados como tratados térmicamente, en atmósfera de argón, a temperaturas de recocido de 600°, 800° y 900°C. Se encontró que el recubrimiento tiene Cr3C2 y NiCr como fases mayoritarias, independiente de la temperatura del tratamiento. La respuesta de los sistemas recubiertos durante los ensayos potencio-dinamicos en solución acuosa de 3.5% NaCl indicó una significativa dependencia tanto del espesor, como de los cambios microestructurales producidos en función de la temperatura de tratamiento térmico. Se determinó que el tratamiento térmico realizado a 900oC, para un recubrimiento de 450mm de espesor, ha permitido una reducción de aproximadamente un 97% del valor de la densidad de corriente, como resultado del aumento en la cohesión interlamelar obtenida debido al fenómeno de difusión en estado sólido, lo cual impide la penetración de la solución agresiva. En este caso, el mecanismo principal de daño se debe al proceso de corrosión galvánica, como consecuencia a la diferencia apreciable existente entre la naturaleza electroquímica de la matriz de Ni con respecto a los carburos. La respuesta del sistema recubierto contra alumina durante los ensayos de desgaste deslizante bajo 5N de carga normal indica que tiene lugar un cambio progresivo del mecanismo combinado de desgaste adhesivo y abrasivo hacia un mecanismo mayormente abrasivo, a medida que la temperatura del tratamiento termico aumenta. Sin embargo, las constantes de desgaste determinadas para todos los ensayos llevados a cabo se encontraron del orden de 10-6 mm3/N.m, indicando un comportamiento satisfactorio desde el punto de vista tribologico.

Mes travaux de thèse dans les laboratoires SATIE de ENS de Cachan et Ampère de l’INSA de Lyon se sont déroulés dans le cadre du projet Gestion OptiMisée de l'Energie (GENOME) pour étudier le potentiel de certains composants de puissance (JFET, MOSFET et BJT) en carbure de silicium (SiC) dans des convertisseurs électroniques de puissance dédiés à des applications aéronautiques suite au développement de l'avion plus électrique. La première partie de mes travaux étudie la robustesse de MOSFET et BJT en SiC soumis à des régimes de court circuit. Pour les MSOFET SiC, en soumettant ces transistors à la répétition de plusieurs courts-circuits, nous observons une évolution du courant de fuite de grille qui semble être un bon indicateur de vieillissement. Nous définissons une énergie critique répétitive pour évaluer la robustesse à la répétition de plusieurs courts-circuits. Aucun effet significatif de la température ambiante n’a pu être mis en évidence sur la robustesse des MOSFET et BJT SiC sous contraintes de court-circuit. Pour les MOSFET, nous avons également constaté une élévation significative du courant de fuite de grille en augmentant de 600V à 750V la tension, ce qui se traduit également par une défaillance plus rapide. Après ouverture des boîtiers des MOSFET Rohm ayant présenté un court-circuit entre grille et source après défaillance, on remarque une fusion de la métallisation de source qui vient effectivement court-circuiter grille et source. Dans ce mode de défaillance particulier, le court-circuit entre grille et source auto-protège la puce en lui permettant de s’ouvrir.La deuxième partie de ce mémoire est consacrée à l’étude de JFET, MSOFET et BJT SiC en régime d’avalanche. Les JFET de SemiSouth et les BJT de Fairchild présentent une bonne robustesse à l’avalanche. Mais le test d'avalanche révèle la fragilité du MOSFET Rohm puisqu’il entre en défaillance avant d’entrer en régime d’avalanche. La défaillance du MOSFET Rohm et sa faible robustesse en régime d’avalanche sont liées à l’activation du transistor bipolaire parasite. Le courant d'avalanche n’est qu’une très faible partie du courant dans l’inductance et circule du drain/collecteur à la grille/base pour maintenir le transistor en régime linéaire. Une résistance de grille de forte valeur diminue efficacement le courant d'avalanche à travers la jonction drain-grille pour le JFET.La troisième partie concerne l’étude de la commutation de BJT SiC à très haute fréquence de découpage. Nous avons dans un premier temps cherché à valider des mesures de pertes par commutation. Après avoir vérifié l'exactitude de la méthode électrique par rapport à une méthode calorimétrique simplifiée, nous montrons que la méthode électrique est adaptée à l’estimation des pertes de commutation mais nécessite beaucoup d’attention. En raison de mobilité élevée des porteurs de charge dans le SiC, nous montrons que le BJT SiC ne nécessite pas l’utilisation de diode d’anti-saturation. Enfin, aucune variation significative des pertes de commutation n’a pu être constatée sur une plage de température ambiante variant de 25°C à 200°C.La quatrième partie concentre l’étude du comportement de MOSFET SiC sous contraintes HTRB (High Temperature Reverse Bias) et dans une application diode-less dans laquelle les transistors conduisent un courant inverse à travers le canal, exception faite de la phase de temps mort pendant laquelle c’est la diode de structure qui assurera la continuité du courant dans la charge. Les résultats montrent que la diode interne ne présente aucune dégradation significative lors de la conduction inverse des MOSFET. Le MOSFET Cree testé montre une dérive de la tension de seuil et une dégradation de l’oxyde de grille qui sont plus significatives lors des essais dans l’application diode-less que sous des tests HTRB. La dérive de la tension de seuil est probablement due au champ électrique intense régnant dans l’oxyde et aux pièges de charge dans l'oxyde de grille. / My PhD work in laboratories SATIE of ENS de Cachan and Ampère of INSA de Lyon is a part of project GEstioN OptiMisée de l’Energie (GENOME) to investigate the potential of some Silicon carbide (SiC) power devices (JFET, MOSFET and BJT) in power electronic converters dedicated to aeronautical applications for the development of more electric aircraft.The first part of my work investigates the robustness of MOSFET and SiC BJT subjected to short circuit. For SiC MOSFETs, under repetition of short-term short circuit, a gate leakage current seems to be an indicator of aging. We define repetitive critical energy to evaluate the robustness for repetition of short circuit. The effect of room temperature on the robustness of SiC MOSFET and BJT under short circuit stress is not evident. The capability of short circuit is not improved by reducing gate leakage current for MOSFET, while BJT shows a better robustness by limiting base current. For MSOFET, a significant increase in gate leakage current accelerates failure for DC voltage from 600V to 750V. After opening Rohm MOSFETs with a short circuit between gate and source after failure, the fusion of metallization is considered as the raison of failure. In this particular mode of failure, the short circuit between gate and source self-protects the chip and opens drain short current.The second part of the thesis is devoted to the study of SiC JFET, MSOFET and BJT in avalanche mode. The SemiSouth JFET and Fairchild BJT exhibit excellent robustness in the avalanche. On the contrary, the avalanche test reveals the fragility of Rohm MOSFET since it failed before entering avalanche mode. The failure of Rohm MOSFET and its low robustness in avalanche mode are related to the activation of parasitic bipolar transistor. The avalanche current is a very small part of the current in the inductor. It flows from the drain/collector to the gate/base to drive the transistor in linear mode. A high-value gate resistance effectively reduces the avalanche current through the drain-gate junction to the JFET.The third part of this thesis concerns the study of switching performance of SiC BJT at high switching frequency. We initially attempted to validate the switching loss measurements. After checking the accuracy of the electrical measurement compared to calorimetric measurement, electrical measurement is adopted for switching power losses but requires a lot of attention. Thanks to high carrier charge mobility of SiC material, SiC BJT does not require the use of anti-saturation diode. Finally, no significant variation in switching losses is observed over an ambient temperature range from 25°C to 200°C.The fourth part focuses on the study of SiC MOSFET behavior under HTB (High Temperature Reverse Bias) and in diode-less application in which the transistors conduct a reverse current through the channel, except for the dead time during which the body diode ensure the continuity of the current in the load. The results show that the body diode has no significant degradation when the reverse conduction of the MOSFET. Cree MOSFET under test shows a drift of the threshold voltage and a degradation of the gate oxide which are more significant during the tests in the diode-less application than under HTRB test. The drift of the threshold voltage is probably due to intense electric field in the oxide and the charge traps in the gate oxide.

Les alliages utilisés dans les turbines hydroélectriques sont soumis à des fluides corrosifs et érosifs et nécessitent un entretien. Récurrent la réparation et la restauration par soudage de pièces endommagées prennent beaucoup de temps et sont inefficaces, car elles nécessitent un traitement thermique et un usinage supplémentaires pour restaurer les propriétés et atteindre les dimensions d'origine. Cependant, l'application de revêtements de protection résistant à l'usure pourrait être une approche appropriée pour améliorer la durabilité et la performance des composants de la turbine. De plus, les revêtements eux-mêmes pourraient être utilisés pour la réparation et restauration de composant qui ont été usés. Cette étude porte sur l'utilisation de revêtements d'aluminure de fer renforcées avec du TiC et la caractérisation de sa résistance à l’usure. La première partie de cette recherche avait pour but de développer un procédé de synthèse de poudre composite à matrice de Fe₃Al renforcée par des particules de TiC employant la synthèse par combustion. La synthèse par combustion est ressortie comme une méthode économique et rentable pour la synthèse de matériaux composites à base d’intermétalliques. Les effets de la taille des particules des poudres de départ et du temps de pré-broyage des précurseurs sur la microstructure de la poudre finale ont été étudiés. Les poudres composites synthétisées ont été caractérisées par diffraction des rayons X (XRD) et par microscopie électronique à balayage (MEB) équipées d’un spectromètre rayons X à dispersion d’énergie (EDS). La composition chimique de la poudre ciblée, la microstructure et la distribution spatiale optimale des particules de TiC ont été obtenues en utilisant un temps de pré-broyage de 30 min et une température du four de 1100 °C. Les poudres synthétisées dans cette condition contenaient uniquement des phases Fe₃Al et TiC. À l'étape suivante, les poudres de Fe₃Al contenant diverses fractions volumiques de particules de TiC renforçant la matrice ont été déposées sur un substrat en acier doux en utilisant la technique de projection thermique à haute vitesse (HVOF). La résistance à l'usure des revêtements par glissement à sec (pin-on-disc) a été caractérisée en utilisant une contre face en Al₂O₃ ayant un diamètre de 6.33 mm. Tous les essais d'usure par glissement ont été effectués à température ambiante avec des vitesses de glissement allant de 0.04 m/s à 0.8 m/s. Il a été constaté qu'une augmentation de la teneur en TiC de 30% molaire à 50% molaire augmente la résistance à l'usure de 11% et 75% pour des vitesses de glissement de 0.1 m/s et 0.8 m/s respectivement. / En outre, une augmentation supplémentaire de la teneur en TiC jusqu'à 70% molaire a fourni des revêtements avec des taux d'usure d'un ordre de grandeur inférieurs à ceux mesurés pour les revêtements Fe₃Al-50% TiC molaire. Il a également été constaté que le taux d'usure augmente en augmentant la vitesse de glissement jusqu'à atteindre un point maximum puis diminue en augmentant encore la vitesse de glissement. Plus précisément, le taux d'usure maximale de chaque série de revêtements s'est déplacé vers des vitesses plus basses en augmentant la teneur en TiC. Les mécanismes d'usure dominants pour de tels revêtements et conditions d'essai ont été identifiés comme étant l'usure par abrasion, l'usure par adhésion, l'usure par fatigue et l'oxydation. Les résultats ont montré que, lors de l'utilisation de poudres de matières premières produites par synthèse de combustion, les revêtements HVOF présentaient une résistance à l'usure environ 1.5 à 20 fois plus élevée que les revêtements avec une composition identique produit par broyage haute énergie. La troisième partie de cette recherche portait sur la comparaison du comportement en usure par glissement des revêtements d'aluminure de fer avec des particules de TiC in-situ et exsitu. Les poudres de charge utilisées pour le revêtement par HVOF ont été préparées en employant un procédé mécanosynthèse. Il a été constaté que l'introduction de 10 % en volume de TiC synthétisé in situ pourrait être bénéfique pour améliorer la résistance à l'usure des revêtements. Cependant, une teneur plus élevée en TiC in-situ a diminué la résistance à l'usure des revêtements. Le mécanisme d'usure dominant était la délamination et l'usure par oxydation. / It was also found that the wear rate increases by increasing the sliding speed until it reaches a maximum point and drops by further augmentation of the sliding speed. More specifically, the maximum wear rate of each series of coatings shifted to lower speeds with increasing TiC content. The dominant wear mechanisms for such coatings and test conditions were identified to be abrasive wear, adhesive wear, fatigue wear and oxidation. Results showed that, when using feedstock powders produced by combustion synthesis, HVOF coatings exhibited about 1.5 to 20 times higher wear resistance compared to the feedstock with identical composition produced by high-energy ball milling. The third part of this research was concerned with comparing the sliding wear behaviour of iron aluminide coatings with in-situ and ex-situ TiC particles. The feedstock powders used for HVOF was prepared by employing mechanical alloying process. It was found that introducing 10 vol. % of in-situ synthesized TiC could be beneficial in improving the wear resistance of coatings. However, higher content of in-situ TiC decreased the wear resistance of coatings. The dominant wear mechanism was found to be delamination and oxidative wear. / Alloys used to manufacture hydroelectric turbines are subjected to corrosive and erosive media and require recurrent maintenance. Repair and restoration of damaged parts by welding are highly time-consuming and cost-ineffective since it needs further heat treatment and machining to restore the properties and achieve the original dimensions. However, applying a protective and wear resistant coating could be a suitable approach to improve the durability and performance of turbine components. Moreover, coatings could be used to repair and restore worn components. This study focuses on the use of TiC-reinforced iron aluminide coatings and the characterization of its wear resistance. The first part of this research was undertaken to develop a process to synthesize Fe₃Al matrix composite powder reinforced with TiC particles employing combustion synthesis. Combustion synthesis has emerged as energy and cost-effective method for synthesis of metal-based composite materials. The effects of particle size on starting powders and premilling time of precursors on the final powder microstructure were studied. The synthesized composite powders were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). The targeted powder chemistry, microstructure and optimum spatial distribution of TiC particles were obtained using a pre-milling time of 30 min and a furnace temperature of 1100 °C. Powders synthesized in this condition contained only Fe3Al and TiC phases. At the next step, the Fe₃Al powders containing various volume fractions of reinforcing TiC particles were deposited on a mild steel substrate using the high-velocity oxy-fuel (HVOF) technique. Dry-sliding wear resistance (pin-on-disk) of the coatings was characterized using an Al₂O₃ counterface having a diameter of 6.33 mm. All the sliding wear tests were conducted at room temperature with sliding speeds ranging from 0.04 m/s to 0.8 m/s. It was found that an increase in the TiC content from 30 mol % to 50 mol % increases wear resistance by 11% and 75% for sliding speeds of 0.1 m/s and 0.8 m/s, respectively. Moreover, further increase in TiC content to 70 mol % provided coatings with wear rates one order of magnitude lower than those measured for Fe₃Al-50 mol % TiC coatings.

Cette thèse présentera l'étude d'un catalyseur de carbure de molybdène modifié par des alkylidenes dans le but de faire de la polymérisation par réaction de métathèse induite par la surface, le tout dans des conditions de ultra-haut vide (UHV). Ce système catalytique a été caractérisé par différentes techniques d'analyse utilisées en science des surfaces : la spectroscopic infrarouge par reflexion-adsorption (RAIRS), la spectroscopie des photoélectrons par rayons X (XPS) et la spectrométrie de masse par thermodésorption (TDS). La première partie de la thèse décrira le système expérimental à la manière d'un guide pour les nouveaux utilisateurs de ce type de système multi-analytique. La caractérisation et l'étude de l'activité catalytique du carbure de molybdène modifié par des alkylidenes sera présentée en deux parties. La première partie sera dédiée à la préparation et à la caractérisation de nouvelles espèces métal-alkylidène sur la surface du β-Mo₂C. Deux nouvelles espèces ont été étudiées, soient le diméthyle alkylidene ((CH₃)₂C=Mo) et le vinyl alkylidene (CH₂CHCH=Mo). Des données spectroscopiques sur la chimisorption de cétones aliphatiques telles que l'acétone, l'acétone-dô et l'acroléine indiquent que le β-Mo₂C induit un bris du lien carbonyle à température ambiante dans des conditions d'ultra-haut vide pour former les espèces métal-alkylidène et métal-oxo. Cette réaction produit aussi une couche superficielle de carbone de nature indéfinie qui diminue la réactivité de la surface de β-Mo₂C face à la décomposition moléculaire conférant ainsi une très haute stabilité thermique aux espèces formées. Le principal sujet de cette thèse concerne l'étude de ces alkylidenes comme des espèces initiatrices pour la polymérisation de surface en vue de former le polyacétylène. Deux méthodes de polymérisation ont été testées. Premièrement, la polymérisation par métathèse par ouverture de cycle du 1,3,5,7-cyclooctatétraène (COT) a été effectuée sur des sites actifs de cyclopentylidene et de vinyl alkylidene. Deuxièmement, la polymérisation par métathèse avec l'acétylène a été effectuée sur des sites de cyclopentylidene. Les résultats de ces deux méthodes sont comparables malgré des différences mineures dans la conformation des polymères, lesquelles sont suggérées par les données des spectres vibrationnels. Le comportement des monomères adsorbés sur β-Mo₂C est aussi analysé à la fin de chaque chapitre. La spectroscopic vibrationnelle suggère que le cyclooctatétraène adopte une configuration plate qui pourrait favoriser sa réactivité en augmentant la tension moléculaire ainsi que le temps de résidence de la molécule sur la surface. Ces effets pourront être responsables du faite que le cyclooctatétraène réagisse à une plus basse température face à la polymérisation par ouverture de cycle que le norbornène et le cyclopentène. Pour ce qui concerne l'acétylène, il réagit avec lui-même à température plus basse que la température de polymérisation pour donner du benzène et du butadiene sur la surface du carbure de molybdène. Cette réaction est, alors, en compétition avec la formation du polyacétylène sur la surface modifiée avec des espèces alkylidene.

Le comportement à la corrosion de deux revêtements composites à matrice intermétallique Fe₃Al préparés par la technique HVOF (High Velocity Oxy Fuel) a été étudié dans une solution à 3.5% en poids de NaCl et comparé au Fe₃Al non renforcé. En outre, le chrome en tant qu'élément d'alliage utilisé dans la charge d'alimentation de HVOF pour évaluer l'effet du chrome sur le comportement à la corrosion du revêtement. Les techniques électrochimiques, y compris la polarisation potentiodynamique, le potentiel de circuit ouvert (OCP) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) ont été considérées. La surface de l'échantillon a été analysée après la corrosion en utilisant un microscope électronique à balayage (MEB) et une spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS). L'essai de potentiel en circuit ouvert a révélé qu'il existe sur le revêtement une couche d'oxyde qui pourrait être due à la technique HVOF utilisant de l'oxygène gazeux pour appliquer les revêtements. Les diagrammes de polarisation potentiométrique ont révélé que l'ajout de particules de TiC à la matrice Fe₃Al améliore les performances de corrosion de Fe₃Al, de sorte que les revêtements Fe₃Al / TiC présentent un taux de corrosion légèrement 6 fois supérieur. Une spectroscopie d'impédance électrochimique a été réalisée pour étudier les mécanismes de prévention de la corrosion des revêtements et un mécanisme différent était supposé pour Fe₃Al-Cr / TiC. Une analyse post-corrosion, telle que les spectres XPS et les images MEB de la couche passive, a été réalisée pour étudier la forme de corrosion. L'analyse élémentaire de la couche passive a révélé que l'addition de chrome au revêtement composite, fournit une couche passive plus protectrice en bloquant les sites d'entrée des ions chlorure. Essais de polarisation cyclique effectués dans une solution d'acide sulfurique 0.25 M pour étudier le comportement de passivation et de piqûration de revêtements dans une solution différente pour comparer les résultats de plusieurs autres travaux sur des aluminiures de fer avec Fe₃Al et deux revêtements composites de Fe₃Al /TiC et Fe₃Al-Cr/TiC. Les résultats de la polarisation cyclique potentiodynamique ont révélé que les performances de corrosion des revêtements composites dans cette solution sont légèrement meilleures que Fe₃Al. Cependant Fe₃Al-Cr/TiC présente une résistance à la piqûration inférieure à celle de deux autres revêtements. / The corrosion behavior of two Fe₃Al intermetallic matrix composite coatings (Fe₃Al/TiC and Fe₃AlCr/TiC) that prepared by high velocity oxy fuel (HVOF) technique was studied in 3.5 wt.% NaCl solution and compared with non-reinforced Fe₃Al. Furthermore, chromium as an alloying element used in the feedstock of HVOF to evaluate the effect of chromium on corrosion behaviour of the coating. Four electrochemical techniques, open circuit potential potentiodynamic polarization, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were employed to examine corrosion behavior in detail. Post-corrosion analysis was done using Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) to reveal the surface morphology and chemistry of the corroded samples. Results from the open circuit potential test revealed that an oxide layer formed on the coating which could be due to oxidation during the HVOF coating process. The Potentiodynamic polarization graphs revealed that adding TiC particles to Fe₃Al matrix improved the corrosion performance of Fe₃Al so that the Fe₃Al/TiC coatings exhibit slightly six times more corrosion rate. The EIS results indicated a more compact corrosion layer formed on the Cr-added coating resulting into the highest coating resistance. This is supported by the SEM/EDS and XPS analyses which revealed that a mixed oxide and hydroxide formed a passive layer. The Cr in the composite coating took the role in providing a more protective passive layer by blocking the entry sites of Clions. The pitting resistance of the Fe₃Al-Cr/TiC coating in 0.25 M H₂SO₄ solution was, however, lower compared to that of the two other coatings. It is concluded that the addition of TiC particles to Fe₃Al matrix, which primarily done for improving wear resistance, improves the corrosion resistance of the coating in saline solution. The addition of Cr into the Fe₃Al/TiC composite coating further improves its corrosion resistance, but the pitting resistance is not improved when tested in acid solution.

L’objectif de ce travail est d’améliorer la durée de vie en fluage d’un alliage résistant à haute température. L’alliage étudié, nommé « C », appartient à la classe des aciers austénitiques de type HP utilisés pour la fabrication des tubes de reformage. L’évolution microstructurale de l’alliage « C » a été étudiée dans une vaste gamme de températures, s’étendant de 700 à 1040°C pour des temps de vieillissement allant jusqu’à 1000 h. La caractérisation de ces états vieillis a été réalisée au moyen de la microscopie électronique (MEB-FEG, MET) et de la diffraction des rayons X. L’accent a été mis sur une caractérisation fine de la précipitation secondaire présente Ces résultats ont ensuite été utilisés afin d’identifier les conditions thermiques optimales pour l’affinement de la précipitation en vue d’amélioration du comportement macroscopique de l’alliage. La cinétique de précipitation a été modélisée à l’aide du logiciel PRISMA ThermoCalc. Un bon accord entre la simulation et les mesures expérimentales a pu être obtenu.Dans la gamme de températures étudiée, la précipitation secondaire est majoritairement constituée de deux carbures : M23C6 (M=Cr, Fe) et NbC. En condition de service (980°C), la croissance du M23C6 est rapide. La coalescence des précipités survient dès 200 h de vieillissement. Nous avons prouvé qu’un vieillissement à des températures plus basses (700-750°C) permet d’affiner cette précipitation. De plus, notre étude a montré l’efficacité d’un prétraitement à des températures basses, effectué avant la mise en service du matériau à 980°C. Une nette amélioration de la résistance en fluage dans des essais accélérés a été obtenue pour l’alliage « C » ayant subi le prétraitement cité ci-dessus. Outre l’affinement et le retardement de la coalescence du M23C6, la présence d’une précipitation nanométrique du NbC sur des lignes de dislocations est probablement à l’origine de cet effet. / The purpose of this work is to optimise the microstructure of a creep-resistant alloy of the type HP, called “C” (industrial denomination). These austenitic steels are used for the manufacture of reformer tubes. The microstructural evolution of the alloy "C" has been studied in a wide range of temperatures, ranging from 700 to 1040 °C for aging times up to 1000 h. The characterization of these aged states was performed using electron microscopy (FEG-SEM, TEM) and X-ray diffraction, with emphasis on a detailed characterization of this secondary precipitation. This knowledge was then used to identify the optimal thermal conditions for the refinement of precipitation to improve the macroscopic behaviour of the alloy. The precipitation kinetics was modelled using the PRISMA ThermoCalc. A good agreement between simulation and experimental measurements has been obtained.In the studied range of temperature, the secondary precipitation consists mainly of two carbides M23C6 (M = Cr, Fe) and NbC. In the service conditions (980°C), the growth of M23C6 is fast. The coalescence of the precipitates starts after only 200h of aging. Aging at lower temperatures (700-750°C) refines this precipitation. Our study showed the efficacy of pre-treatment of the alloy at low temperatures, before the service of the material at 980°C. In the alloy "C", treated in such conditions, a significant increase in creep resistance was obtained in accelerated testing. In addition to refinement of the secondary precipitation and delaying the effects of coalescence of M23C6, the presence of a nanoscale precipitation of NbC on dislocation lines is probably the origin of this effect.

La mise ne oeuvre par voie liquide de matériaux composites à matrice d'alliage de titane renforcés par des filaments de carbure de silicium conduit, malgré la rapidité du procédé utilisé pour enduire les filaments par l'alliage liquide, à d'importantes interactions physico-chimiques au niveau des interfaces formées.<br />Ces interactions entre le revêtement de carbone des filaments et le titane liquide contrôlent en particulier la cinétique de mouillage du filament et les transferts de carbone du filament vers la matrice.<br />Des modèles, confirmés par des observations et analyses microscopiques, ont permis de comprendre les mécanismes mis en jeu au cours du procédé d'élaboration et en particulier de la solidifications. <br />Il est apparu que le dépôt par voie chimique réactive de carbure de titane sur le revêtement de carbone du filament de carbure de silicium était un moyen efficace pour favoriser le mouillage du filament par l'alliage de titane liquide et pour contrôler non seulement les transferts de carbone mais aussi les conditions d'obtention de composites filamentaires correspondant aux spécifications attendues.