Traditionnellement, le procédé de mise en forme par métallurgie des poudres permettait la fabrication de pièces relativement complexes ne nécessitant peu ou pas d'opérations secondaires d'usinage. Toutefois, avec la diversité actuelle de ce procédé, au moins 30% de ces pièces requièrent une ou plusieurs opérations d'usinage afin d'atteindre les exigences géométriques demandées en service. L'usinage de ces pièces, particulièrement celles fabriquées à partir d'acier autotrempant, est cependant limité étant donné les complications qui en découlent. L'usinage de pièces à cru fabriquées par métallurgie des poudres est une alternative intéressante afin de diminuer les coûts de production et d'ainsi concurrencer les autres procédés de mise en forme. Depuis les années 90, des procédés de fabrication ont été développés dans le but d'augmenter la résistance des pièces à cru et de rendre l'usinage de ces dernières envisageable. Toutefois, avant d'utiliser industriellement ce type d'usinage, certaines considérations doivent être étudiées. Cette thèse vise à caractériser et à optimiser l'usinabilité, selon diverses opérations d'usinage, de pièces de haute résistance à cru fabriquées par métallurgie des poudres. La durée de vie d'outils de coupe, de même que les effets de l'usure de ces derniers sur l'usinabilité des pièces à cru, ont également été caractérisés. Les propriétés mécaniques de pièces usinées à cru ont été mesurées suite à l'opération de frittage et comparées à celles de pièces usinées conventionnellement, c'est-à-dire après le frittage. Par ailleurs, des copeaux recueillis lors de l'usinage de pièces à cru ont été ajoutés un mélange de poudres de composition similaire pour la fabrication de nouvelles pièces. Les résultats ont montré qu'une vitesse de rotation suriacique élevée et une vitesse d'avance faible améliorent l'usinabilité des pièces à cru. Par exemple, en perçage, la taille de la zone où des particules ont été arrachées est de 115 um pour une vitesse de rotation surfacique de 140 m/min (7000 tour/min) et pour une vitesse d'avance de 0,0254 mm/r. Cette taille d'arrachement, mesurée lors des essais de perçage, est environ la moitié de celles répertoriées dans la littérature. La durée de vie des outils de coupe en usinage à cru est largement supérieure à celle mesurée lors de l'usinage de pièces frittées. Toutefois, lorsque la pointe de l'outil se détériore, la qualité des pièces usinées diminue. Par exemple, pour une opération de dressage, la taille moyenne de la zone d'arrachement est de 150 um lorsqu'un outil neuf est utilisé alors que cette taille augmente à 300 um pour une usure d'outil de 0,20 mm. Les essais mécaniques effectués sur des pièces frittées ayant subies une opération d'usinage à cru ont montré que les propriétés mécaniques de ces pièces sont similaires à celles mesurées sur des pièces usinées conventionnellement. De plus, les résultats montrent que 20%-poids de copeaux obtenus lors de l'usinage de pièces à cru peut être mélangé à un mélange de poudres de même composition sans en affecter les propriétés de mise en œuvre et les propriétés après frittage. / Traditionally, the powder metallurgy process allowed manufacturing components with relatively complex geometries requiring little machining operations. However, with the current diversity of this process, approximately 30% of these components require one or more machining operations to reach geometrical conformances. Unfortunately, the machining of powder metallurgy components, particularly those made from sinter-hardenable steel powders, is limited due to poor machinability of the latter. The machining of green powder metallurgy components is an attractive process to reduce production costs and to compete with other shaping processes. During the last decade, different strategies were developed to increase the strength of green powder metallurgy component enabling the machining of the latter. However, before using this type of machining in an industrial environment, certain considerations must be studied and optimized. This thesis is aimed at characterizing and optimizing the machinability of high green strength powder metallurgy components for various machining operations. The cutting tool life, as well as the effects of the tool wear on the machinability of green components, are also characterized. Powder metallurgy components machined in their green state were sintered and then subjected to mechanical tests to compare their sintered strength to that of components machined conventionally, i.e. after sintering. The results showed that a high surface speed and a low feed rate improve the machinability of green powder metallurgy components. For example, in drilling, the average width of breakouts is 115 um when a surface speed of 140 m/min (7000 rpm) and a feed rate of 0,0254 mm/r are used. Such width of breakouts, measured during the drilling tests, is approximately one half of those presented in the literature. The tool life of the cutting tool in green machining is largely higher than that measured during the machining of sintered components. However, for a worn cutting tool, the quality of the machined components decreases. In facing, the average width of breakouts is 150 um for a brand new cutting tool while this width of breakouts increases to 300 um for a worn one (tool wear: 0,20 mm). Mechanical tests done on sintered parts having undergone an operation of green machining showed that the mechanical properties of these parts are similar to those measured on components machined conventionally. Results showed that 20 wt.% of chips reclaimed during the machining of green specimens can be admixed to a similar premix without affecting of the compaction and the sintered properties.

Malgré la popularité du procédé de métallurgie des poudres (PM) pour la fabrication de composants de forme quasi finale, un nombre important de pièces PM nécessitent des opérations d'usinage pour la conformité géométrique. Cependant, la présence de porosité dans la microstructure typique des pièces PM affecte fortement négativement leur comportement à l'usinage, nécessitant ainsi l'utilisation d'additifs pour l'améliorer. L'additif idéal améliorant l'usinabilité serait celui qui, en plus d'augmenter considérablement l'usinabilité, est chimiquement neutre, rentable et n'a aucun effet néfaste sur les propriétés mécaniques. Sur la base de ces critères, des travaux ont été menés pour étudier et comparer l'effet de l'ajout de différents activateurs d'usinabilité, contenant du MnS, du MnS revêtu de Ni, du MoS$_2$, du Cu$_2$S, du BN, du CaF$_2$ et du MgSiO$_3$ sur la réponse d'usinage de pièces de type FC-0208. Les performances de ces additifs ont été caractérisées en termes d'usinabilité, de propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion et comparées aux propriétés des échantillons ne contenant pas d'additif, c'est-à-dire FC-0208. Les résultats ont indiqué que l'ajout d'additifs améliorant l'usinage à la composition du FC-0208 avait un effet néfaste marginal sur les propriétés mécaniques, sauf dans le cas du BN. De plus, la dissociation des particules de MoS$_2$ et la dissociation partielle des particules de Cu$_2$S au cours du processus de frittage ont été confirmées. La caractérisation de l'usinabilité a indiqué que l'ajout de MoS$_2$ et Cu$_2$S améliorait la réponse d'usinabilité des pièces tandis que CaF$_2$ et MgSiO$_3$ n'affectaient pas l'usinabilité des pièces FC-0208 et même dans certains cas, elle était aggravée. Bien que les résultats aient confirmé la grande efficacité des particules de MnS pour augmenter l'usinabilité des pièces PM, elles ont eu un effet néfaste à la fois sur le tournage à la vitesse de 243 smm et sur le perçage. / Despite the popularity of the powder metallurgy (PM) process for manufacturing near-netshape components, a significant number of PM parts require machining operations for geometrical conformance. However, the presence of porosity in the typical microstructure ofPM parts greatly negatively affects their machining behavior, thereby requiring the use of additives to improve it. The ideal machinability-enhancing additive would be one that, on top of considerably increasing machinability, is chemically neutral, cost-effective, and has no detrimental effect on mechanical properties.Based on these criteria, work was carried out to investigate and compare the effect of addition of different machinability enhancers, containing MnS, Ni-coated MnS, MoS$_2$, Cu$_2$S, BN, CaF$_2$, and MgSiO$_3$ on the machining response of the FC-0208 PM parts. The performances of these additives were characterized in terms of machinability, mechanical properties, and corrosion resistance and compared with the properties of the samples containing no additive,i.e., FC-0208. The results indicated that the addition of machining enhancers to the composition of FC-0208 had a marginal detrimental effect on mechanical properties, except in the case of BN. Moreover, the dissociation of MoS$_2$ particles and partial dissociation of Cu$_2$S particles during the sintering process were confirmed. Machinability characterization indicated that addition of MoS$_2$ and Cu$_2$S improved the machinability response of the workpieces while CaF$_2$ and MgSiO$_3$ did not affect the machinability of FC-0208 workpieces and even in some cases, it was worsened. Although the results confirmed the high effectiveness of MnS particles in increasing the machinability of PM parts, it had a detrimental effect in both turning at the speed of 243 smm and drilling.

L'objectif principal de ce mémoire visait à caractériser et à comparer la résistance en fatigue de deux séries de pièces d'acier fabriquées par métallurgie des poudres. La première série de pièces à été mise en forme en effectuant une opération d'usinage à cru suivi d'un frittage. La deuxième a été obtenue en effectuant l'opération d'usinage après frittage comme c'est généralement le cas en industrie. Des tests de fatigue axial ont été effectués pour chacune des séries d'éprouvettes et ont démontré qu' il n'y avait pas de différence de résistance en fatigue que l'usinage soit effectué à cru ou après frittage. Cette étude démontre pour la première fois que l'usinage à cru peut être utilisé pour la fabrication de pièces de hautes performances sans qu'il y ait de compromis sur la résistance en fatigue.

Afin de demeurer compétitive, la métallurgie des poudres (MP) se doit de pouvoir répondre de façon efficace à des défis des plus exigeants en termes de propriétés mécaniques statiques et surtout dynamiques. Qui plus est, le problème récurrent de l’usinabilité médiocre des pièces MP ne peut être ignoré. C’est dans ce contexte que se situe l’étude résumée ci-dessous. Le but étant d’optimiser la composition chimique de poudres de fer afin d’obtenir des particules de deuxième phase qui permettent de maximiser l’usinabilité tout en minimisant leur effet néfaste sur la résistance à la fatigue. L’approche est basée sur le préalliage de particules de sulfure de type (Fe, Mn)S. Une attention particulière a été portée à l’ajustement de la concentration en manganèse de façon à minimiser sa concentration en solution solide dans la matrice de fer afin d’affecter le moins possible la compressibilité de la poudre. En plus des sulfures, la poudre de base a été également préalliée avec 0,11 %-pds. d’étain. Ainsi, lors du frittage de pièces fabriquées à partir d’un mélange de type FC-0208 préparé à partir de poudres expérimentales dans cette recherche, l’étain s’est combiné au cuivre pour former des particules de bronze qui précipitent sur les particules de sulfure préalliées. Les résultats ont montré que le nouvel alliage présente une compressibilité supérieure à celle de l’ATOMET 29M fabriquée par RioTinto Poudres Métallique et qui est reconnue comme l’une des poudres de fer commerciales présentant la meilleure usinabilité par l’utilisation de particules de nitrure de bore hexagonal. De même, les propriétés statiques mesurées sont également supérieures à celles de la poudre de référence. La caractérisation de la résistance à la fatigue et l’usinabilité des mélanges frittés expérimentaux développés dans cette étude montrent également des propriétés supérieures comparées au mélange de référence de FC-0208. / In order to remain competitive, powder metallurgy (PM) must be able to respond effectively to the most challenging problems of the static and particularly dynamic mechanical properties. Moreover, the recurring problem of poor machinability of PM parts cannot be ignored. It is in this context that the below summarized study is. The goal is to optimize the chemical composition of iron powder in order to obtain second phase particles that maximize machinability while minimizing their negative effect on fatigue resistance. The approach is based on the prealloyed sulfide (Fe, Mn)S. A particular attention was paid to the adjustment of the manganese concentration in order to minimize its concentration in solid solution in the iron matrix to minimise its effect on compressibility of powder. Besides the sulfides, the base powder was also prealloyed with 0.11% -pds. Tin. Thus, during sintering the manufactured parts from a FC-0208 type prepared from experimental powders in this research, the Tin was combined with copper to form bronze particles that precipitate on the prealloyed sulfide particles. The results showed that the new alloy has a higher compressibility than the ATOMET 29M produced by RioTinto Metal Powders that is known as one of the commercial iron powders having the improved machinability by using hexagonal nitride boron particles. Similarly, the measured static properties are also superior to that of the reference powder. The characterization of the fatigue strength and machinability of the experimental sintered mixtures developed in this study also show superior properties compared to the reference mixture FC-0208.

L'objectif de la thèse était d'étudier le procédé de Décrepitation à l'Hydrogène (HD) en tant que moyen de recycler les rebus d'aimants frittés Nd-Fe-B en poudres fortement coercitives et anisotropes, pour l'industrie d'aimants liés. Le procédé consiste à appliquer une première hydruration, afin de réduire le matériau massif en poudre, grâce à l'expansion du volume de la maille. Des traitements de désorption de l'hydrogène et de recuit sont ensuite nécessaires pour rétablir les caractéristiques initiales du précurseur (coercivité et anisotropie). Les différentes étapes du procédé HD ont été étudiées à partir d'aimants frittés (NdDy)2(FeCoNbCu)14B utilisés comme précurseurs. Les caractéristiques d'absorption et de désorption de l'hydrogène ont été étudiées par Calorimétrie Différentielles (DSC) et par des mesures de cinétique d'hydruration. Des mesures magnétothermiques ont permis d'analyser l'effet de la présence d'hydrogène résiduel sur les propriétés magnétiques des poudres (NdDy)-(FeCoNbCu)-B. La thèse se focalise sur l'impact des conditions expérimentales appliquées, telles que la température de décrepitation, l'application d'un double cycle de décrépitation, la température de désorption, l'application d'un champ magnétique pendant la désorption de l'hydrogène, la température de recuit, etc... sur les propriétés magnétiques des poudres (NdDy)-(FeCoNbCu)-B. Parmi ces facteurs, les températures d'absorption et de désorption, et la température de recuit jouent un rôle prépondérant sur les propriétés magnétiques. La double décrépitation améliore la distribution de taille des poudres. La désorption de l'hydrogène sous le champ magnétique réduit le contenu d'hydrogène résiduel des poudres anisotropes, et conduit ainsi à une augmentation de la rémanence (Br). Après l'optimisation des étapes successives du procédé, des poudres anisotropes présentant des propriétés satisfaisantes ont été obtenues : Br = 10.29 kGs (1.029 T), Hcj = 14.3 kOe (1138 kA/m), (BH)Max = 21.67 MGOe (172.5 kJ/m3). Les propriétés magnétiques initiales des aimants frittés (NdDy)-(FeCoNbCu)-B ont été restaurées respectivement à 93 %, 46 % et 74 %.

Dans l’optique de refroidir les parois des chambres de combustion aéronautiques le plus efficacement possible, un intérêt particulier est aujourd’hui porté à la technologie de refroidissement par transpiration. L’air de refroidissement s’écoule au travers d’une paroi poreuse dans laquelle une grande quantité de chaleur est échangée par convection. L’éjection de l’air profite ensuite de la distribution des pores pour former une couche limite protectrice relativement homogène.Les matériaux métalliques obtenus à partir de poudres partiellement frittées sont de bons candidats pour former ces parois poreuses. Ce travail se focalise sur les échanges internes et consiste à développer une méthodologie permettant de dégager les architectures partiellement frittées les plus adaptées à ce type d’application.L’écoulement et les échanges de chaleur lors du refroidissement par transpiration sont régis par quelques propriétés effectives des matériaux qui sont fonction de l’architecture : la conductivité thermique effective, le coefficient de transfert convectif volumique et les propriétés de perméabilité. A l’aide de travaux expérimentaux ou d’études numériques sur des échantillons numérisés par tomographie aux rayons X, des relations simples entre les propriétés effectives des matériaux partiellement frittés et leurs paramètres architecturaux sont tout d’abord développées. La porosité, la surface spécifique et le type de poudre utilisé sont retenus pour prédire les paramètres effectifs.Ces relations sont finalement intégrées dans un modèle de transfert de chaleur prédisant la performance d’une solution dans les conditions de fonctionnement du moteur. Une optimisation "multi-objectifs" et une analyse des designs optimaux permettent alors de mettre en valeur quelques architectures montrant un fort potentiel pour des applications de refroidissement par transpiration. Des matériaux peu poreux formés à partir de larges poudres irrégulières semblent assurer le meilleur compromis entre tous les critères pris en compte. / In order to cool aero-engine combustion chambers as efficiently as possible, there is today a special interest given to transpiration cooling technology. The cooling air flows through a porous liner in which a large amount of heat can be exchanged by convection. The air injection could then take benefit of the pore distribution to form a more homogeneous protective boundary layer.Partially sintered metallic materials are potential candidates to form these porous liners. The present work focuses on internal heat transfers. It aims to develop a methodology capable of highlighting the most adapted partially sintered architectures to this kind of application.During transpiration cooling, flows and heat transfers are governed by some effective material properties which depends on the porous architecture: the effective solid phase thermal conductivity, the volumetric heat transfer coefficient and the permeability properties. Thanks to experimental works and numerical studies on samples digitized by X-ray tomography, simple relationships are first developed between the effective material properties of partially sintered materials and their architectural parameters. The porosity, the specific surface area and the powder type are selected to predict the effective properties.These relationships are finally integrated into a heat transfer model predicting the thermal performance of a design at working engine conditions. A multi-objective optimization and an analysis of the optimal designs highlight some architectures as being potentially interesting for transpiration cooling. Materials with a low porosity and made of large irregular powders seem to ensure the best trade-off among the different criteria taken into consideration.