Lors du fonctionnement d'un turboréacteur, la rotation de l'axe du moteur induit une force centrifuge qui plaque les aubes contre les alvéoles du disque, le long de surfaces appelées « portées ». Au cours de la vie du moteur, des micro-glissements (« fretting ») sont générés au niveau des portées. Ce travail de thèse s'intéresse aux endommagements de type oligocyclique des portées aube/ disque du compresseur Haute Pression (HP) d'un turboréacteur civil. Afin de réduire le frottement et de protéger les pièces, les portées des aubes sont revêtues d'un dépôt épais de CuNiln sur lequel est appliqué un lubrifiant solide. Le système est soumis à des pressions fortes (600MPa) et à des températures élevées (500°C). Des expertises sur pièces ont permis d'identifier des usures importantes et des phénomènes de transfert. Pour simuler expérimentalement le contact, un moyen d'essai de fretting usure en température a été développé dans le cadre de cette thèse. A partir d'une géométrie de contact échelle 1 simplifiée, choisie pour représenter les champs de chargement moteur, le domaine des sollicitations a été balayé et les comportements tribologiques identifiés et caractérisés. L'étude tribologique a permis de mettre en évidence l'influence forte de la force normale sur les mécanismes d'endommagements, dont les scénarios de mise en place ont pu être explicités pour les deux domaines majeurs de sollicitations. Dans un deuxième temps, les endommagements ont été étudiés d'un point de vue physicochimique et le rôle tribochimique joué par les éléments environnementaux (0, N ... ) a été mis en évidence. Pour finir, la comparaison directe des mécanismes identifiés sur banc expérimental et sur le système industriel a permis d'aborder, d'un point de vue critique, l'importance des paramètres choisis pour les équivalences expérience / système industriel ; et de la dynamique de chargement pour garantir la représentativité d'un essai à l'échelle laboratoire. / In the blade/ disk contact of aero-engines, movements induced by the engine regime changes may lead to critical wear. In order to limit friction and protect components, motorists usually use a thick and soft CuNiin layer (150 !-lm) covered with a lubricant. This system is subjected to high contact pressure (upto 600 MPa) and high temperatures (up to 500 °C). In service observations of engine parts revealed significant wear and transfer phenomena. An experimental layout was designed to perform fretting wear tests in temperature on a punch/plane contact, representative of engine solicitation. Based on the tribological study performed, specified gradation mechanisms were identified and the evidence of a pressure threshold was demonstrated. Physicochemical analyses performed confirmed the role played by environment (0, N ... ) in fretting wear mechanisms and suggest that the tribochemical effects should be considered in the fretting wear models. Direct comparisons between degradation mechanisms identified on the experimental system, and on industrial parts, allow a critical review of parameters chosen to simulate the contact. Finally, the impact of loading dynamics was investigated in order to improve tests representativity at la bora tory scale.

Lors du fonctionnement d'un turboréacteur, la rotation de l'axe du moteur induit une force centrifuge qui plaque les aubes contre les alvéoles du disque, le long de surfaces appelées " portées ". Au cours de la vie du moteur, des micro-glissements (" fretting ") sont générés au niveau des portées. Ce travail de thèse s'intéresse aux endommagements de type oligocyclique des portées aube/ disque du compresseur Haute Pression (HP) d'un turboréacteur civil. Afin de réduire le frottement et de protéger les pièces, les portées des aubes sont revêtues d'un dépôt épais de CuNiln sur lequel est appliqué un lubrifiant solide. Le système est soumis à des pressions fortes (600MPa) et à des températures élevées (500°C). Des expertises sur pièces ont permis d'identifier des usures importantes et des phénomènes de transfert. Pour simuler expérimentalement le contact, un moyen d'essai de fretting usure en température a été développé dans le cadre de cette thèse. A partir d'une géométrie de contact échelle 1 simplifiée, choisie pour représenter les champs de chargement moteur, le domaine des sollicitations a été balayé et les comportements tribologiques identifiés et caractérisés. L'étude tribologique a permis de mettre en évidence l'influence forte de la force normale sur les mécanismes d'endommagements, dont les scénarios de mise en place ont pu être explicités pour les deux domaines majeurs de sollicitations. Dans un deuxième temps, les endommagements ont été étudiés d'un point de vue physicochimique et le rôle tribochimique joué par les éléments environnementaux (0, N ... ) a été mis en évidence. Pour finir, la comparaison directe des mécanismes identifiés sur banc expérimental et sur le système industriel a permis d'aborder, d'un point de vue critique, l'importance des paramètres choisis pour les équivalences expérience / système industriel ; et de la dynamique de chargement pour garantir la représentativité d'un essai à l'échelle laboratoire.

De nos jours, afin de réduire le frottement et l'usure dans les moteurs thermiques et par voie de conséquence les émissions polluantes ainsi que la consommation énergétique, des revêtements APS (Atmospheric Plasma Spray) sont appliqués sur les chemises des cylindres. Le MoDTC (Di-ThioCarbamate de Molybdène), est un additif organométallique largement utilisé dans la lubrification automobile pour réduire le frottement grâce à la formation sur les surfaces frottantes de feuillets de MoS2. Ce travail de thèse porte sur l’étude de la réaction tribochimique du MoDTC avec le revêtement TiO2 APS dans des conditions de lubrification mixte / limite. Des poudres de TiO2 de taille micrométrique ont été utilisées pour obtenir un revêtement APS de TiO2 de 70 µm d'épaisseur. Différents tribomètres ont été utilisés pour effectuer des essais de frottement en présence d’une huile de base contenant du MoDTC. Les résultats obtenus pour un contact acier / TiO2 APS lubrifié avec du MoDTC présente une réduction significative du frottement par rapport au contact acier / acier (contact de référence). Les analyses de surface montrent que le tribofilm formé sur le plan de TiO2 APS est composé de MoS2 et de MoO3 tandis qu’il est constitué d’oxysulfure de molybdène, de MoS2 et de MoO3 sur le plan de référence en acier. De plus, les résultats indiquent que des phases Magneli résistantes à l'usure sont formées sur la surface du plan de TiO2 réduisant ainsi l'usure du contact lorsque celui-ci est uniquement lubrifié avec l'huile de base. L'impact de divers paramètres tels que la rugosité, la température d'essai, la pression de contact, la concentration en MoDTC et le remplacement des billes en acier par des billes en céramique sur le comportement tribologique du TiO2 APS a également été étudié. Les résultats ont été comparés avec ceux obtenus dans les mêmes conditions avec un contact acier / acier de référence et révèlent que le coefficient de frottement est toujours plus faible dans le cas des contacts impliquant un revêtement de TiO2 APS. Des résultats similaires à ceux obtenus avec le TiO2 APS (en termes de comportement tribologique et de composition chimique du tribofilm) ont été obtenus avec des nanoparticules de TiO2 mélangées dans l’huile de base avec du MoDTC dans le cas d'un contact acier / acier de référence. Dans les deux cas, une décomposition complète de MoDTC conduisant à la formation de MoS2 a été observée. Un phénomène de tribocatalyse a été suggéré comme pouvant être le mécanisme responsable de la décomposition du MoDTC en présence de matériaux à base de TiO2 comme le revêtement TiO2 APS et les nanoparticules de TiO2. / Nowadays to reduce friction and wear as well as gas emission and oil consumption of the passenger car engines, Atmospheric Plasma Spray (APS) coatings are used on cylinder liner. MoDTC (Molybdenum Di-Thiocarbamate), organometallic friction modifier has been previously used to reduce friction by formation of layered molybdenum disulphide flakes. This study focuses on tribochemical interaction of MoDTC with TiO2 APS coating under mixed / boundary lubrication conditions. Fused and crushed micron sized powders were used to obtain a 70 µm thick TiO2 coating. Various tribometers were used to carry out tribotests in presence of lubricant containing MoDTC. Steel / TiO2 APS contact showed significant friction reduction than steel / reference steel contact. It was shown that the tribofilm is composed of MoS2 and MoO3 on TiO2 APS flats while it is composed of Mo-oxysulphide, MoS2 and MoO3 on reference steel flats. It was shown that wear resistant Magneli phases are formed on the surface of TiO2 APS disc, decreasing wear when the contact was lubricated only with base oil. Impact of various parameters like roughness, test temperature, contact pressure, concentration of MoDTC and change of counterpart materials from steel balls to ceramic balls, on the tribological behavior of TiO2 APS was also studied. Results obtained were compared with contacts involving reference steel and it was confirmed that friction coefficient was always lower in case of contacts involving TiO2 APS coating. Similar tribological results and chemistry were obtained for TiO2 nanoparticles blended with MoDTC in case of steel / reference steel contact. Both the cases, TiO2 APS and TiO2 nanoparticles showed complete decomposition of MoDTC to form MoS2. Tribocatalysis was suggested as the mechanism responsible for complete decomposition of MoDTC in case of TiO2 based materials like TiO2 APS coating and TiO2 nanoparticles

La formulation des lubrifiants utilisés dans l'automobile est complexe du fait du nombre important d'additifs mélangés aux huiles de base. Pour orienter le choix des formulateurs, il est non seulement nécessaire de connaître le mécanisme d'action de chaque additif mais aussi les interactions entre ces additifs. Pour mieux appréhender ces mécanismes, une démarche originale a été mise en place dans cette étude. Celle-ci consiste à simuler expérimentalement la lubrification en régime limite par la lubrification en phase gazeuse. Pour cela, des molécules de faible poids moléculaire modélisant les différents constituants d'un lubrifiant ont été introduites sous ultravide. Ce type d'expérience a pu être réalisé grâce au développement d'un nouveau Tribomètre à Environnement Contrôlé (TEC) connecté à un système d'analyse de surface. Cette technique permet de simplifier le système tribologique et d'étudier in situ les tribofilms formés en phase gazeuse par des analyses de surface (XPS/AES). Différentes molécules ont été étudiées : triméthylborate (TMB), triméthylphosphite (TMPi) et triméthylphosphate (TMPa) modélisant respectivement les additifs boratés et phosphorés des lubrifiants de transmission. Cette simulation expérimentale a pu être validée en comparant les résultats en phase gazeuse avec ceux obtenus en phase liquide. Des observations en microscopie optique et des analyses chimiques ont mis en évidence la formation de tribofilms. Les expériences réalisées en présence de TMB ont permis de confirmer les résultats de la littérature sur la formation d'un tribofilm non sacrificiel de borates de type « minéral ». Les expériences réalisées avec les molécules phosphorées ont permis de montrer la différence entre les phosphates et les phosphites, notamment la formation d'un composé de type phosphure de fer en présence de TMPi. Les analyses in situ sur les tribofilms obtenus en présence de TMPi ont permis de déterminer le mécanisme de formation du composé phosphure de fer. La réalisation de mélanges de gaz a permis également de mettre en avant les effets de synergie et d'antagonisme entre les additifs

Le dialkyldithiophosphate de zinc ( ZDDP ) est un additif anti-usure habituellement utilisé dans les lubrifiants moteurs. Dans des conditions sévères de frottement, les molécules de ZDDP forment sur les surfaces métalliques un film, appelé tribofilm, qui protège ces surfaces de l'adhésion et de l'abrasion. Les tribofilms sont principalement composés de polyphosphates de zinc dont la longueur des chaînes varie progressivement sur la hauteur du film. On trouve les chaînes de phosphate les plus courtes à la surface du métal et les chaînes de phosphate les plus longues au sommet du film. Plusieurs études ont été menées afin de comprendre le mécanisme par lequel l'additif peut conduire à la formation de ce gradient de phosphate. Pour améliorer la compréhension de ce mécanisme, nous nous concentrons dans cette étude sur l'influence de la pression, du cisaillement, de la nature des surfaces et de la température sur des composés de type orthophosphate de zinc et métaphosphate de zinc, utilisés pour modéliser le tribofilm de ZDDP. Des tests tribologiques ont été réalisés en régime de lubrification limite à partir de dispersions de ces polyphosphates de zinc dans de l'huile de base. L'effet de la pression seule a été étudié à l'aide d'une cellule à enclumes de diamant (CED) afin de découpler son effet de celui du cisaillement. La spectroscopie Raman a été utilisée pour suivre in-situ ou ex-situ, les changements de structures des poudres de polyphosphate de zinc. Ces expériences ont été réalisées sur ces composés afin d'identifier précisément la contrainte qui conduit à ce gradient de phosphate au sein d'un tribofilm. La pression seule, à induit uniquement des désordres structurels au sein des polyphosphates de zinc. Une dimérisation mineure a été observée pour l'orthophosphate de zinc mais, est peu significative pour expliquer les changements structurels observés dans un tribofilm. Lors des tests tribologiques, les phosphates ont montré une capacité à former des tribofilms. Une dépolymérisation du métaphosphate de zinc à été observée a l'issue de ces tests. Les grandes contraintes et conditions de déformation des essais tribologiques sont nécessaires pour induire une réaction tribochimique entre le métaphosphate de zinc et l'oxyde de fer conduisant à une dépolymérisation du phosphate dans le tribofilm. La réaction anti-usure et la formation de tribofilm est favorisée par les hautes températures (120 * C), et par certaines formes d'oxydes de fer.

Grâce à ses propriétés d'antioxydant, d'anti-usure et éventuellement d'extrême pression le dithiophosphate de zinc (ZDDP) fait partie des additifs les plus utilisés dans les lubrifiants pour moteurs thermiques. De nos jours, dans un souci de respect de l'environnement, de nouveaux lubrifiants possédant de bonnes performances en lubrification (frottement faible et usure limitée) sont développés en prenant compte des limitations d'utilisations actuelles du ZDDP. L'idée étant de réduire dans ceux-ci les teneurs en phosphore et soufre (Normes euros VI), éléments essentiels du ZDDP qui endommagent les pots catalytiques. L'objectif de cette thèse est l'étude du comportement tribologique du phosphate de zinc di alkyl (ZP) en comparaison avec le ZDDP. La méthodologie expérimentale étudiée pour comprendre le mécanisme d'action de ces additifs, associe des essais de frottement à descaractérisations physico-chimiques des surfaces frottantes après essais.Cette comparaison a été effectuée en fonction de la température (25°C et 100°C), la vitesse de glissement (25, 50 et 100 mm/s) et la concentration en additif (200 et 600 ppm dephosphore). Les meilleures actions anti-usure sont obtenues avec le ZDDP pour une température de 100°C et une vitesse de glissement de 100 mm/s et le ZP pour une température de 25°C et une vitesse de glissement de 25 mm/s. Les analyses de surface XPS, AES, XANES et MET-EDX ont permis de mettre en évidence la présence d'un film protecteur constitué principalement de phosphate de zinc, ceci pour les deux additifs.Une synergie de comportement tribologique a été mise en évidence avec un lubrifiantconstitué de ZP (usure faible) et d'oléate d'urée (frottement faible). Des essais complémentaires sur un tribomètre dynamique ont permis d'étudier le niveau de frottement du tribofilm formé à partir du ZDDP. Le caractère visqueux du tribofilm de ZDDP a été mis en évidence.

Grâce à ses propriétés d’antioxydant, d’anti-usure et éventuellement d’extrême pression le dithiophosphate de zinc (ZDDP) fait partie des additifs les plus utilisés dans les lubrifiants pour moteurs thermiques. De nos jours, dans un souci de respect de l’environnement, de nouveaux lubrifiants possédant de bonnes performances en lubrification (frottement faible et usure limitée) sont développés en prenant compte des limitations d’utilisations actuelles du ZDDP. L’idée étant de réduire dans ceux-ci les teneurs en phosphore et soufre (Normes euros VI), éléments essentiels du ZDDP qui endommagent les pots catalytiques. L’objectif de cette thèse est l’étude du comportement tribologique du phosphate de zinc di alkyl (ZP) en comparaison avec le ZDDP. La méthodologie expérimentale étudiée pour comprendre le mécanisme d’action de ces additifs, associe des essais de frottement à descaractérisations physico-chimiques des surfaces frottantes après essais.Cette comparaison a été effectuée en fonction de la température (25°C et 100°C), la vitesse de glissement (25, 50 et 100 mm/s) et la concentration en additif (200 et 600 ppm dephosphore). Les meilleures actions anti-usure sont obtenues avec le ZDDP pour une température de 100°C et une vitesse de glissement de 100 mm/s et le ZP pour une température de 25°C et une vitesse de glissement de 25 mm/s. Les analyses de surface XPS, AES, XANES et MET-EDX ont permis de mettre en évidence la présence d’un film protecteur constitué principalement de phosphate de zinc, ceci pour les deux additifs.Une synergie de comportement tribologique a été mise en évidence avec un lubrifiantconstitué de ZP (usure faible) et d’oléate d’urée (frottement faible). Des essais complémentaires sur un tribomètre dynamique ont permis d’étudier le niveau de frottement du tribofilm formé à partir du ZDDP. Le caractère visqueux du tribofilm de ZDDP a été mis en évidence. / Thanks to its antioxidant, anti-wear and extreme pressure properties, zinc dialkyldithiophosphate (ZDDP) is nowadays the most used anti-wear additives in engine oil. Due to environmental protection concerns, new lubricants with good tribological performances (low friction and low wear) are developed. This research aims to evaluate the current limitations of ZDDP and to find alternative environmentally friendly solutions. Thus, the target is to reduce the quantity of phosphorus and sulphur in lubricants, two essential elements of ZDDP molecule that damage catalytic. The objective of this thesis is to study tribological behavior of zinc phosphate di alkyl (ZP) in comparison to ZDDP. The experimental method performed is the coupling of friction test with surface physico-chemical characterisation of rubbing surface after tests.This comparison carried out according to the temperature (25°C and 100°C), the sliding speed (25, 50, 100 mm/s) and additives concentrations (200 and 600 ppm). The best anti-wear efficiency is obtained with the ZDDP additive at 100°C - 100 mm/s and with the ZP at 25°C - 25 mm/s. For both additives and under these conditions, tribofilms are mainly made of zinc phosphate.A tribological synergy are obtained with a lubricant contained ZP (low wear) and oleyl urea (low friction). Complementary tests were made on a original dynamic tribometer for a better understanding of ZDDP tribofilm friction behavior. The viscous character of ZDDP tribofilm was obtained.

La maîtrise de l’additivation est l’un des enjeux majeurs de la formulation des lubrifiants, notamment pour l’industrie automobile. La formulation d’une huile est toutefois très complexe en raison du nombre important d’additifs et des nombreuses interactions possibles entre additifs, notamment entre les additifs de surface. Les phosphites organiques et les polysulfures organiques ont déjà montré leur efficacité en tant qu’additifs de surface. Toutefois malgré leur usage répandu dans les formulations des lubrifiants automobiles, peu d’études traitent des interactions pouvant avoir lieu entre ces deux types de composés. Ce travail de thèse a pour objectif la compréhension des mécanismes d’interaction (antagonisme/synergie) pouvant exister entre les phosphites organiques et les polysulfures organiques. Pour cela, une approche originale sur la lubrification par la phase gazeuse s’est avérée très pertinente. Le couplage du Tribomètre à Environnement Contrôlé (TEC) avec les systèmes d’analyses de surface XPS/Auger a permis d’analyser les tribofilms générés in situ et d’éviter ainsi toute contamination et/ou oxydation du tribofilm avant analyse. Les molécules choisies sont les additifs de lubrification industriels (polysulfures tertaires) à faibles poids moléculaires ou alors des molécules à faible poids moléculaires ayant les mêmes fonctions chimiques que les additifs usuels : trimethyl phosphite (TMPi), dimethyl phosphite (DMPi). L’étude des réactions des tribochimiques des molécules phosphorés a permis de mettre en évidence le rôle ambivalent du DMPi qui se comporte à la fois comme un phosphite pour former un phosphure de fer et comme un phosphate. Le mécanisme formation du phosphure de fer a peu être étayé par la réalisation de calculs ab initio sur l’adsorption dissociative du TMPi sur une surface de fer. Les TPS étudiés génèrent quant à eux des tribofilms à base disulfure de fer. Les mélanges binaires réalisés en phase gazeuse ont permis de mettre en évidence l’importance des rapports de concentrations des vapeurs introduites et du mode d’introduction des molécules dans le tribomètre. Les résultats obtenus en tribologie en phase gazeuse ont été corroborés par des essais complémentaires en phase liquide. / Mastering the addivation is one of the biggest issues for the lubricants formulation, especially in the automobile industry. However automotive lubricants are very complex systems due to the numerous additives mixed with base oils. Many interactions can occur between additives, especially between surface additives. Organic phosphites and organic polysulphides have already demonstrated their effectiveness as surface additives. However, despite their widespread use in the formulations of automotive lubricants, few studies deal with the interactions taking place between these two types of compounds. The aim of this study is to understand the interactions, antagonistic or synergetic effect between these kinds of additives using Gas Phase Lubrication (GPL) approach. A Environmental Controlled Tribometer (TEC) was used as a tool to simulate the interaction between organophosphate additives and polysulfurous additives. In situ surface analysis was performed in the tribofilm formed during friction using of X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Auger Electron Spectroscopy(AES) in order to avoid any oxidation or air contamination. The molecules selected for the study can be same as the additive like the TPS molecules which are widely used as lubricant additives. Howeverto simulate the phosphite chemical function of phosphite additives, we need to select smaller molecule having the same chemical function. These molecules are dimethyl phosphite (DMPi), trimethylphosphate (TMPi) for simulating the phosphite chemical function and organic polysulphides (TPS44and TPS32). The study of the tribochemical reactions of organic phopshites allowed to clearly characterise the ambivalence of DMPi, which can react like a phosphite and induce iron phosphide formation or react like a phosphate. Ab initio numerical simulation on TMPi dissociative adsorption was carried out to identify the reactions pathways leading to iron phosphide formation. The tribochemical reaction of TPS44 on metallic iron surface leads to the formation of iron disulphidebased tribofilm. The binary vapours mixtures studied by GPL allowed to clearly identify the importance of the vapour concentration ratio between phosphite and polysulphide. Liquid phase experiments were also carried out to confirm the trend observed in GPL approach.

Le dialkyldithiophosphate de zinc ( ZDDP ) est un additif anti-usure habituellement utilisé dans les lubrifiants moteurs. Dans des conditions sévères de frottement, les molécules de ZDDP forment sur les surfaces métalliques un film, appelé tribofilm, qui protège ces surfaces de l'adhésion et de l'abrasion. Les tribofilms sont principalement composés de polyphosphates de zinc dont la longueur des chaînes varie progressivement sur la hauteur du film. On trouve les chaînes de phosphate les plus courtes à la surface du métal et les chaînes de phosphate les plus longues au sommet du film. Plusieurs études ont été menées afin de comprendre le mécanisme par lequel l'additif peut conduire à la formation de ce gradient de phosphate. Pour améliorer la compréhension de ce mécanisme, nous nous concentrons dans cette étude sur l'influence de la pression, du cisaillement, de la nature des surfaces et de la température sur des composés de type orthophosphate de zinc et métaphosphate de zinc, utilisés pour modéliser le tribofilm de ZDDP. Des tests tribologiques ont été réalisés en régime de lubrification limite à partir de dispersions de ces polyphosphates de zinc dans de l'huile de base. L'effet de la pression seule a été étudié à l'aide d'une cellule à enclumes de diamant (CED) afin de découpler son effet de celui du cisaillement. La spectroscopie Raman a été utilisée pour suivre in-situ ou ex-situ, les changements de structures des poudres de polyphosphate de zinc. Ces expériences ont été réalisées sur ces composés afin d'identifier précisément la contrainte qui conduit à ce gradient de phosphate au sein d'un tribofilm. La pression seule, à induit uniquement des désordres structurels au sein des polyphosphates de zinc. Une dimérisation mineure a été observée pour l'orthophosphate de zinc mais, est peu significative pour expliquer les changements structurels observés dans un tribofilm. Lors des tests tribologiques, les phosphates ont montré une capacité à former des tribofilms. Une dépolymérisation du métaphosphate de zinc à été observée a l'issue de ces tests. Les grandes contraintes et conditions de déformation des essais tribologiques sont nécessaires pour induire une réaction tribochimique entre le métaphosphate de zinc et l'oxyde de fer conduisant à une dépolymérisation du phosphate dans le tribofilm. La réaction anti-usure et la formation de tribofilm est favorisée par les hautes températures (120 • C), et par certaines formes d'oxydes de fer. / Zinc dialkyldithiophosphate (ZDDP) is an anti-wear additive, commonly used in engine lubricants. Under severe conditions of friction, it forms a tribofilm on steel surfaces. ZDDP tribofilm is mainly composed of zinc polyphosphates and its structure varies gradually over the height of the film: short phosphate chains at the metal surface and longer phosphate chains at the top of the film. Several studies have been conducted to understand the mechanism by which the additive may lead to the formation of this gradient of the phosphate chain length. The influence of pressure, shear stress, nature surfaces and temperature on the structure of zinc orthophosphate and zinc metaphosphate were investigated, to improve the understanding of their action mechanism. Friction tests were carried out in boundary lubrication regime from dispersions of zinc polyphosphates in base oil. The effect of pressure alone was investigated using a Diamond Anvil Cell (DAC) in order to dissociate from the shear contribution. Raman spectroscopy was used to follow in situ or ex situ structural changes of the zinc polyphosphate powders. The experiments were carried out on these compounds to identify precisely the impact of stresses on them. Pressure alone induces only disordering in the structure of zinc polyphosphates, with only minor dimerization of the chain length in phosphates, and does not contribute significantly to the observed structural changes in tribofilms. Tribofilms obtained with both polyphosphates display a depolymerization of the zinc metaphosphate. The severe stress and strain conditions of the tribological tests are necessary to induce a tribochemical reaction between zinc metaphosphate and iron oxide, leading to a depolymerization of the phosphate in the tribofilm. The tribochemical reaction and anti-wear tribofilm formation are significantly enhanced by the modest temperature increase from ambient to 120°C, and by some kinds of iron oxides.

Les exigences actuelles en terme de lubrification automobile imposent des formulations extrêmement complexes. Parmi tous les additifs présents dans l’huile, on peut noter le dithiocarbamate de molybdène et le dithiophosphate de zinc, additifs à action tribologique à base de soufre et de phosphore. Pour des raisons environnementales, il est important de diminuer voir d’éliminer la présence de ces deux éléments dans les huiles. Les molécules organiques à base de carbone, oxygène et hydrogène semblent être de bons candidats. Le mécanisme de lubrification des acides gras (acides stéarique, oléique et linoléique) est revisité par une approche visant à combiner l’étude expérimentale et la modélisation moléculaire. Tout d’abord, les mécanismes d’adsorption des acides gras sur des surfaces à base de fer sont étudiés par couplage Chimie Quantique et Dynamique Moléculaire (UA-QCMD). L’adsorption des acides gras sur des surfaces à base de fer se fait par la fonction acide. Selon la nature du substrat, la densité du film et l’angle d’inclinaison de la molécule par rapport à la surface, différents mécanismes d’adsorption peuvent avoir lieu (physisorption et chimisorption). Les molécules d’acide stéarique forment une monocouche compacte et bien arrangée alors que les molécules insaturées en sont incapables à cause d’effets stériques induits par les doubles liaisons carbone-carbone. Le frottement favorise la formation de la fonction carboxylate. Ces résultats sont confirmés par des analyses de surface (XPS et PM-IRRAS). Les propriétés tribologiques des acides gras purs, dans la PAO 4 et en mélange dans la PAO 4 sont étudiées par simulation MD et par des tribotests. Un faible frottement et une absence d’usure visible ont été observés pour l’acide stéarique pur et dissous à 1%m dans la PAO 4 à haute température. La présence de molécules insaturées inhibe les propriétés réductrices de frottement de l’acide stéarique, en particulier à 150 °C. Ceci est expliqué par la diffusion des acides gras insaturés bien supérieure à celle de l’acide stéarique dans la PAO 4 à toutes les températures étudiées. / The current requirements in automotive lubrication impose complex formulation. Among all the additives present in oil, the presence of molybdenum dithiocarbamate and zinc dithiophosphate, both tribological additives containing sulfur and phosphorous is found. For environmental reasons, it is important to reduce or eliminate the presence of these two elements contained in oil. Organic molecules based on carbon, oxygen and hydrogen seems to be good candidate. The lubrication mechanism of fatty acids (e.g. stearic, oleic and linoleic acids) is revisited with a new approach combining experimental and computational chemistry studies. First, the adsorption mechanisms of fatty acids on iron-based surfaces are investigated by Ultra-Accelerated Quantum Chemistry Molecular Dynamics simulations. The adsorption of fatty acids on iron oxide surface occurred through the acid group. Depending on the nature of the substrate, on the density of the film and on the tilt angle between the molecule and the surface, different adsorption mechanisms (physisorption and chemisorption) can occur. Stearic acid molecules form a close-packed and well-arranged monolayer whereas unsaturation acids cannot because of steric effects induced by double carbon-carbon bonds. The friction process favors the formation of carboxylate function. Results are confirmed by surface analysis (XPS and PM-IRRAS). Tribological properties of pure fatty acids, blended in PAO 4 and mixture of saturated/unsaturated acids are studied by MD simulations and tribotests. Low friction coefficient with no visible wear is reported for pure stearic acid and single stearic acid blended in PAO 4 at 1%w at high temperature. This lubricating behavior is inhibited in the presence of unsaturated acids, especially at 150 °C. MD simulation results show a faster diffusion toward the surface for unsaturated fatty acids than for stearic acid at all studied temperature.