Le présent mémoire constitue une étude numérique sur la méthode globale de collocation par fonctions radiales pour la résolution de l'équation de diffusion. Ce type de méthode ne comporte pas de maillage contrairement aux méthodes par différences finies ou éléments finis. Elle peut s'appliquer à des ensembles de points dispersés au hasard. La résolution de l'équation de diffusion avec des conditions de Neumann de flux massique nul à la surface a été expérimentée en une dimension et deux dimensions. Divers paramètres ont été étudiés tel que le nombre de points, leur disposition spatiale et autres configurations pertinentes afin d'optimiser la méthode. D'excellents résultats ont été obtenus en une dimension avec un faible nombre de points comparativement aux méthodes classiques. Par contre, une résolution adéquate en deux dimensions s'est avérée impossible pour cause de diverses instabilités numériques.

« La solidification rapide : relation Elaboration – Microstructure et Propriétés d'un alliage » RESUME Si les propriétés intrinsèques des matériaux dépendent de la force des liaisons chimiques, qui ne peuvent être modifiées, il est bien connu que leurs propriétés extrinsèques dépendent de la microstructure. Les métallurgistes disposent de moyens techniques pour contrôler relativement bien cette microstructure et aussi faire en sorte que les propriétés associées correspondent aux besoins du cahier des charges de l'application. Classiquement, partant du lingot élaboré par fusion, des traitements thermomécaniques plus ou moins complexes engendrent la microstructure. Mais il est bien clair que les possibilités d'évolution de la microstructure dépendent dramatiquement de l'état initial de l'alliage. C'est ici qu'interviennent les techniques basées sur la solidification rapide. Elles vont engendrer des microstructures initiales pouvant être très différentes de celles qui sont conventionnelles, et qui pourront, par traitements thermomécaniques, aboutir à des microstructures finales également très différentes. Les méthodes de solidification rapide d'alliages métalliques ou céramiques ont pour but principal d'étendre ou de modifier les limites des domaines d'équilibre thermodynamique, ou d'obtenir de nouvelles structures atomiques, ce qui n'est généralement pas accessible par des méthodes dites conventionnelles de solidification. Les produits élaborés se caractérisent par exemple par réduction de taille de grains, par la précipitation d'une phase secondaire plus fine et homogène Ces procédés permettent dans le même temps d'obtenir les matériaux directement à partir de l'état fondu, sous la forme de produits minces finis ou dans un état intermédiaire, tels que des rubans (10 à 80 μm) par « planar flow casting PFC » (flot planaire), des tôles fines (de 200 μm à 3 mm d'épaisseur (en production industrielle) par « twin roll casting TRC» (coulée entre rouleaux) ou encore mais plus rarement des fils (100 à 200 μm de diamètre) par « In rotating water melt spinning INROWASP». J'ai dans ce manuscript décrit les méthodes et techniques d'élaboration que j'utilise en développant quelques aspects thermodynamiques et cinétiques tout en révélant l'essentiel des informations techniques. Un ensemble d'exemples tirés de mes travaux en collaboration et dans le cadre de projets de recherche internes au laboratoire, nationaux et internationaux illustrent ces techniques, notamment les verres métalliques massifs, les quasicristaux, les alliages à magnétorésistance géante, et particulièrement les alliages à mémoire de forme. Les relations entre d'une part la méthode de préparation, qui inclut la technique de fusion, de solidification, les traitements associés thermo-mécaniques, et d'autre part les caractéristiques structurales, microstructurales ainsi que les propriétés mécaniques et fonctionnelles ont été mises en évidence. Le choix de méthodes de production par solidification rapide, comme je l'ai écrit, peut dans certaines conditions autoriser l'obtention d'une phase qu'on ne peut pas obtenir par refroidissement classique (< 103 KS-1) ou, par l'abaissement de la taille de grains, optimiser certaines caractéristiques mécaniques. Néanmoins comme le montrent certains résultats mitigés sur les alliages à mémoire de forme, ces méthodes ne sont en aucun cas une panacée aux problèmes rencontrés comme le manque de ductilité à température ambiante. Le problème de la mise en forme à froid qu'on rencontre dans nombres d'alliages intermétalliques ou les verres métalliques ne sont pas ou seulement partiellement résolus par ces procédés. Mais la production en une seule ou un nombre limité d'étapes d'objets finis ou semi-finis reste un élément économique appréciable de ces méthodes. Les phases quasicristallines stables thermodynamiquement ainsi que les verres métalliques massifs ne nécessitent pas des vitesses de refroidissement supérieures à 103 KS-1 et peuvent être obtenus par des méthodes de préparation ce qui nécessite certaines précautions (c.a.d. par exemple sans contamination chimique) mais à vitesse de refroidissement classique. Néanmoins dans ce cas il a été démontré que seule une méthode de solidification rapide (telle que le melt spinning ou l'atomisation gazeuse) permet d'une part d'obtenir la précision compositionnelle requise et d'autre part d'atteindre, après traitement thermique, une qualité structurale de la phase optimale (cas des quasicristaux). En ce qui concerne les verres métalliques ces techniques nous permettent d'étudier plus facilement la capacité à l'amorphisation, la formulation et la déformation à froid de ces alliages : par exemple les essais de nanoindentations sur les rubans ou les tôles hypertrempées qui nous autorisent à remonter aux mécanismes de déformation des alliages massifs. L'obtention d'une précipitation de dispersoïdes nanométriques dans la matrice amorphe (VMM) ou la matrice paramagnétique des alliages magnétorésistifs à l'étude, n'est possible qu'en utilisant ces techniques.

Les implants de corps humain biocompatibles à base de Ti de faible module de Young et sans élèments toxiques sont développés dans deux régimes de matériaux, les alliags cristallins à base de Ti-Nb(-Sn) et les alliages amorphes à base de Ti -Fe -Si. Une série d'alliages à base de Ti-Nb(-Sn) a été synthétisée par une aspiration coulée par la moule de cuivre et soumis à différents traitements thermiques (refroidissement du four ou trempe à l'eau). La microstructure, les propriétés thermiques et mécaniques des échantillons traités telles que la coulée et la chaleur ont été étudiées. On montre que l'addition de Sn augmente la stabilité de la phase β. Les modules de Young de ces alliages ont été également mesurés avec des mesures par ultrasons. Les alliages Ti74Nb26 trempés à l'eau avaient le plus faible module de Young. L'addition de Sn a peu d'impact sur le module de Young des alliages Ti-Nb. Les alliages amorphes à base de Ti- Fe-Si ont été synthétisés par filage à l'état fondu. La capacité de formation des verres, les propriétés thermiques et les propriétés de corrosion des alliages à base de Ti- Fe-Si ont été étudiées. La composition vitreuse a été conçue en fonction de la règle de l'eutectique profond. On a constaté que la région la plus proche du point eutectique ternaire(Ti65Fe30Si5) est une région quasi-cristalline icosaédrique, tandis que le côté plus raide (Si côté riche) de ce point eutectique ternaire est la région de formation de verre. L'effet de L'addition élémentaire mineur (Ge, Pd, Zr) sur la capacité de formation de verre des alliages à base de Ti- Fe-Si a été également étudié. L'observation in situ d'amorphisation des alliages vitreux Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 en faisceau synchrotron a été effectuée. L'alliage a été vitrifié avec succès dans un appareil à sustentation aérodynamique. / The Ti-based biocompatible human body implants of low Young's modulus and without toxic elements are developed in two regime of materials, crystalline Ti-Nb(-Sn) based alloys and amorphous Ti-Fe-Si based alloys. A series of Ti-Nb(-Sn) alloys were synthesized by copper mould suction casting and subjected to different heat treatments (furnace cooling or water quenching). The microstructure, thermal and mechanical properties of the as-cast and heat treated samples were investigated. It is shown that the addition of Sn increases the stability of the β phase. The Young's moduli of these alloys were also measured by ultrasonic measurements. Water-quenched Ti74Nb26 alloy was found to exhibits the lowest Young's modulus. Sn addition has little impact on the Young's moduli of the TiNb alloys. The Ti-Fe-Si based amorphous alloys were synthesized by melt spinning. The glass forming ability, thermal properties and corrosion properties of Ti-Fe-Si based alloys were investigated. The glassy compositions were designed according to the deep eutectic rule. It was found that the region near ternary eutectic point (Ti65Fe30Si5) is an icosahedral quasicrystal forming region, whereas the steeper side (Si rich side) of this ternary eutectic point is the glass forming region. Effect of minor elemental addition (Ge, Pd, Zr) on glass forming ability of the Ti-Fe-Si based alloys was also studied. The in situ observation of amorphization of Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 glassy alloy in synchrotron beam was conducted. The alloy was successfully vitrified in an aerodynamic levitation apparatus.

Le contexte industriel de cette étude est la modification de surface de l’alliage 690(60%Ni, 30%Cr, 10%Fe) utilisé dans la fabrication de tubes de générateurs de vapeur.L’objectif de ce travail de thèse est donc de former, par traitement de fusion par laser nanopulsé, une couche de Cr2O3 étanche au relâchement du nickel. Pour maîtriser la formation decette couche, il est primordial de déterminer les paramètres opératoires influant sur lespropriétés de cette couche. L’objectif scientifique est alors d’expliquer les phénomènesintervenant pendant et après l’impulsion laser au niveau de l’extrême surface.Suite à une étude paramétrique détaillée, un traitement de fusion superficielle par laser nanopulsé a permis d’obtenir un fort rapport Cr/Ni en surface et une couche d’oxyde dense etcontinue. Afin de vérifier l’efficacité du traitement, des coupons traités ont été introduits dansune boucle simulant le milieu primaire.Des expériences et des calculs ont été mis en oeuvre pour tenter d’expliquer l’enrichissementen chrome de la surface à l’aide de ce procédé. Les résultats expliquent l’enrichissement enchrome jusqu’à la solidification du bain liquide en surface qui précède la formation du Cr2O3favorisée par la forte affinité du chrome avec l’oxygène et la grande stabilité de l’oxyde Cr2O3. / Alloy 690 (60%Ni, 30%Cr, 10%Fe) is mainly used in primary circuit pipes fornuclear power plants.The aim of this thesis is to form a Cr2O3 layer, using laser surface melting, with the objective ofcreating a chromium-rich oxide layer. In order to optimize the treatment, it was first important todetermine parameters influence on the layer oxide properties then, with the objective of adeeper understanding of mechanisms involved, to address thermo-physical phenomenaoccurring during and after the laser pulse striking the upper surface.A deep parametric study first enabled to find an optimized laser surface treatment whichproduces chromium enrichment of the upper surface and a dense and continuous oxide layer.This treatment has been applied on samples, set in a primary medium simulation loop.Experiments and calculations were carried out to provide understanding of surface chromiumenrichment by laser process. The results were shown to explain chromium enrichment until meltpool solidification occurred on the upper surface, assumingly just before chromium oxideformation. This was also promoted by a high affinity with oxygen and a higher stability of Cr2O3oxide compared with other potential oxide formation.

L'objectif de ce travail est d' étudier, au travers d'un essai simple, l'influence des paramètres procédés sur la microstructure et sur le chargement mécanique dans le but de minimiser le risque de fissuration à chaud. Un essai original a été développé consistant à appliquer une précontrainte de traction contrôlée dans la direction de soudage sur une tôle d'alliage d'aluminium 6061 de faible épaisseur, avant de réaliser une ligne de fusion avec le procédé TIG. Des analyses de la microstructure de solidification ont permis d'identifier des longueurs caractéristiques traduisant l'influence des paramètres procédés sur la morphologie des grains. La modélisation de cette microstructure, à partir de données thermiques issues de la simulation numérique, a permis de prédire la microstructure obtenue dans différentes conditions de soudage. L'application d'un critère de fissuration à chaud prenant en compte la microstructure prédite permet d'intégrer l'influence de la morphologie des grains sur la prédiction de l'initiation de la fissuration à chaud. Pour terminer, des solutions d'optimisation du procédé de soudage, vis à vis du phénomène de fissuration à chaud, sont proposées en tenant compte des interactions procédé/ matériau.