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Within the frame of improving the dry sliding properties of steels, nitriding treatments were conducted on linear strip-like patterns etched in AISI 316LM samples in two configurations: W100-D100 and W100- D300, W being the width of asperity and D the distance between them, in micrometers. Such patterns were obtained by ion etching in a MDECR plasma reactor through masks. The same device was used for the low-temperature nitriding treatment (400 C), which results in expanded austenite layers. Tribological tests were performed by ball-on plane dry reciprocal sliding tests carried out with an alumina ball under a load of 5 N. First of all, the durability of non-nitrided AISI 316 LM patterned samples is shown to be very low. The texture is completely destroyed after a few hundred cycles. We found a strong reduction of wear for all the nitrided textured samples. A different repartition of the wear debris along the tracks between both patterned configurations was revealed. Wear debris are found within the valleys of W100-D100 configuration, whereas negligible quantities of debris are observed in the valleys of W100-D300 configuration. In addition, debris accumulations occur at the tips of the wear tracks. Such accumulation is higher for the W100-D300 configuration. After nitriding, the average µ is found to be dependent on the configurations of the patterns. A duplex treatment increases the average µ for the W100D300 samples and reduces it for the W100-D100 ones. These observations are linked to the wear mechanisms appearing to be different for the two patterns configurations: abrasive mode for the W100-D100, combination of abrasive, adhesive, fatigue and oxidation modes for the W100-D300. Hertz pressure based model demonstrates high contact pressures for both patterned configurations (for the W100-D300 configuration to be from 21 to 2.2 GPa). Furthermore, energetic model shows that the mechanical energy produced during the interaction of the ball against the asperity edges is higher on W100-D300 than for W100-D100 configuration. Finally, this study demonstrates that the durability of patterned surfaces can be widely improved by a nitriding treatment. Our results also open new perspectives to tailor friction properties by an appropriate patterns geometry.; Dans le cadre de l'amélioration des propriétés de glissement à sec des aciers, des traitements de structuration de surface et de nitruration ont été effectués sur de deux échantillons AISI 316LM Afin de créer des motifs géométriques maitrisés (plots rectangulaires). Ces motifs ont été obtenus par gravure ionique à travers des masques dans un réacteur à plasma MDECR. Le même dispositif a été utilisé pour le traitement de nitruration à basse température (400 C), en formant les couches d'austénite expansées. Des tests tribologiques ont été effectués par des essais de glissement alternatif à sec (avec une bille d'alumine, sous une charge de 5 N). On a observé tout d’abord que la durabilité des échantillons AISI 316 LM structurés mais non nitrurés avérée très faible. Le motif est complètement détruit après quelques centaines de cycles. Par contre, nous avons constaté une forte réduction de l'usure pour tous les échantillons structurés et nitrurés avec une répartition différente des débris d'usure le long des pistes pour les deux configurations de motifs. Ces débris d'usure se trouvent dans les vallées de la configuration W100-D100 (espacement entre aspérités le plus faible), alors que des quantités négligeables de débris sont observées dans les vallées de la configuration W100-D300. En outre, des accumulations de débris se produisent aux extrémités des pistes d'usure et apparaissent bien plus importante pour la configuration W100-D300. Après nitruration, on constate que le coefficient de frottement (COF) moyen dépend de la configuration des modèles. Le traitement Duplex augmente le COF moyen pour les échantillons W100-D300 et le réduit pour les échantillons W100-D100. Ces résultats sont liés aux mécanismes d'usure qui semblent être différents pour les deux configurations de motifs : avec un mode abrasif pour le W100-D100et une combinaison de modes abrasif, adhésif, de fatigue et d’oxydation pour le W100-D300. Les pressions de contact hertziennes apparaissent très élevées pour les deux configurations de motifs (de 2,1 à 2,2 GPa pour la configuration W100-D300,). En outre, un modèle analytique énergétique montre également que l'énergie mécanique produite lors de l'interaction de la bille contre les bords d'aspérité est plus élevée sur le W100-D300 que sur la configuration W100-D100. Cette étude démontre que la durabilité des surfaces à motifs peut être largement améliorée par un traitement de nitruration. Nos résultats ouvrent également de nouvelles perspectives quant à l’adaptation des propriétés de frottement par une géométrie de motifs appropriée.

Within the frame of improving the dry sliding properties of steels, nitriding treatments were conducted on linear strip-like patterns etched in AISI 316LM samples in two configurations: W100-D100 and W100- D300, W being the width of asperity and D the distance between them, in micrometers. Such patterns were obtained by ion etching in a MDECR plasma reactor through masks. The same device was used for the low-temperature nitriding treatment (400 C), which results in expanded austenite layers. Tribological tests were performed by ball-on plane dry reciprocal sliding tests carried out with an alumina ball under a load of 5 N. First of all, the durability of non-nitrided AISI 316 LM patterned samples is shown to be very low. The texture is completely destroyed after a few hundred cycles. We found a strong reduction of wear for all the nitrided textured samples. A different repartition of the wear debris along the tracks between both patterned configurations was revealed. Wear debris are found within the valleys of W100-D100 configuration, whereas negligible quantities of debris are observed in the valleys of W100-D300 configuration. In addition, debris accumulations occur at the tips of the wear tracks. Such accumulation is higher for the W100-D300 configuration. After nitriding, the average µ is found to be dependent on the configurations of the patterns. A duplex treatment increases the average µ for the W100D300 samples and reduces it for the W100-D100 ones. These observations are linked to the wear mechanisms appearing to be different for the two patterns configurations: abrasive mode for the W100-D100, combination of abrasive, adhesive, fatigue and oxidation modes for the W100-D300. Hertz pressure based model demonstrates high contact pressures for both patterned configurations (for the W100-D300 configuration to be from 21 to 2.2 GPa). Furthermore, energetic model shows that the mechanical energy produced during the interaction of the ball against the asperity edges is higher on W100-D300 than for W100-D100 configuration. Finally, this study demonstrates that the durability of patterned surfaces can be widely improved by a nitriding treatment. Our results also open new perspectives to tailor friction properties by an appropriate patterns geometry., Dans le cadre de l'amélioration des propriétés de glissement à sec des aciers, des traitements de structuration de surface et de nitruration ont été effectués sur de deux échantillons AISI 316LM Afin de créer des motifs géométriques maitrisés (plots rectangulaires). Ces motifs ont été obtenus par gravure ionique à travers des masques dans un réacteur à plasma MDECR. Le même dispositif a été utilisé pour le traitement de nitruration à basse température (400 C), en formant les couches d'austénite expansées. Des tests tribologiques ont été effectués par des essais de glissement alternatif à sec (avec une bille d'alumine, sous une charge de 5 N). On a observé tout d’abord que la durabilité des échantillons AISI 316 LM structurés mais non nitrurés avérée très faible. Le motif est complètement détruit après quelques centaines de cycles. Par contre, nous avons constaté une forte réduction de l'usure pour tous les échantillons structurés et nitrurés avec une répartition différente des débris d'usure le long des pistes pour les deux configurations de motifs. Ces débris d'usure se trouvent dans les vallées de la configuration W100-D100 (espacement entre aspérités le plus faible), alors que des quantités négligeables de débris sont observées dans les vallées de la configuration W100-D300. En outre, des accumulations de débris se produisent aux extrémités des pistes d'usure et apparaissent bien plus importante pour la configuration W100-D300. Après nitruration, on constate que le coefficient de frottement (COF) moyen dépend de la configuration des modèles. Le traitement Duplex augmente le COF moyen pour les échantillons W100-D300 et le réduit pour les échantillons W100-D100. Ces résultats sont liés aux mécanismes d'usure qui semblent être différents pour les deux configurations de motifs : avec un mode abrasif pour le W100-D100et une combinaison de modes abrasif, adhésif, de fatigue et d’oxydation pour le W100-D300. Les pressions de contact hertziennes apparaissent très élevées pour les deux configurations de motifs (de 2,1 à 2,2 GPa pour la configuration W100-D300,). En outre, un modèle analytique énergétique montre également que l'énergie mécanique produite lors de l'interaction de la bille contre les bords d'aspérité est plus élevée sur le W100-D300 que sur la configuration W100-D100. Cette étude démontre que la durabilité des surfaces à motifs peut être largement améliorée par un traitement de nitruration. Nos résultats ouvrent également de nouvelles perspectives quant à l’adaptation des propriétés de frottement par une géométrie de motifs appropriée.

Design of high-performance and lighter mechanical systems needs a perpetual work on materials used. In the power transmission field, gaseous nitriding thermochemical treatment enhances significantly the life-cycle of the parts which are higher stressed on the surface. While the contribution of the mechanical property gradients due to the treatment on the fatigue life is well-known, the microstructure effects on the (micro-)plasticity mechanisms remains undetermined. This work concerns exclusively the nitrided 33CrMoV12-9 graded steel, used for gears and bearings in the naval and aeronautical industry. It aims particularly at defining mechanical properties linked to crack initiation mechanisms during high-cycle fatigue. Properties such as Young modulus, hardness, yield stress and fatigue limits are looked at several scales, from microstructural ones to hardened case one. In-situ and post-mortem investigation on loaded and damaged nitrided layers leads to estimating the microstructural influence on local deformations, microplasticity and damage but no particular mechanisms were found. Special fully-nitrided parts were designed to perform the experiments. This tool helps to carry out simple loadings and measure the strain-hardening curve and fatigue limits. Finally, it as been attested that measured properties depend on scales, means and methodology.; Le développement de systèmes mécaniques, toujours plus performants et légers, demande l’optimisation continue des matériaux utilisés ainsi que leurs traitements. Dans le domaine des transmissions de puissance, la nitruration gazeuse apporte une hausse significative des durées de vie en fatigue des pièces fortement sollicitées. Alors que le rôle des gradients de propriétés mécaniques générés sur la résistance en fatigue est reconnu, l’influence de cette microstructure nitrurée sur les mécanismes de plasticité ou de microplasticité menant à de l’endommagement puis à l’initiation d’une fissure reste relativement méconnue. Ce travail de thèse concerne exclusivement la nitruration de l’acier de nuance 33CrMoV12-9, particulièrement utilisée dans les roulements et engrenages des industries aéronautiques et navales. Les propriétés mécaniques liées aux phénomènes menant à l’initiation de fissures en fatigue à grand nombre de cycles ont, tout particulièrement, été étudiées. Les propriétés mécaniques, comme le module d’élasticité, la dureté, la limite d’élasticité ou encore les contraintes résiduelles sont déterminées à plusieurs échelles, de celles de la microstructure à celles plus macroscopiques. Des observations in-situ ou post-mortem des couches nitrurées sollicitées jusqu’à l’endommagement ayant pour but d’estimer l’influence de la microstructure sur les hétérogénéités de déformations, les phénomènes de microplasticité et les mécanismes d’endommagement correspondants n’ont pas permis d’identifier clairement des mécanismes d’initiations de fissures. Pour ces essais, une éprouvette nitrurée à cœur représentative de la couche nitrurée a été développée. Cet outil expérimental a permis d’effectuer des essais simples de sollicitations des microstructures et ainsi déterminer des caractéristiques élastiques, d’écrouissage et de tenue en fatigue. Enfin, il a été démontré que les propriétés mesurées comme le module d’élasticité dépendent de l’échelle d’observation, des moyens et des méthodes utilisés.

The surface passivation of III-V semiconductors is a suitable process to eliminate the side effects which disrupt the smooth operation of the optoelectronic devices. The aim of this thesis is to investigate passivation of the GaAs surface by nitridation using N2 plasma generated by two different sources: the GDS (Glow discharge source) and ECR (Electron Cyclotron Resonance). Our first study based on AR-XPS measurements, DFT simulations and a refined kinetic model permits identification of the three main steps of the nitriding process exhibiting several physical phenomena. Our second study of the GaAs passivation effects by growing a GaN thin layer on the surface makes it possible to optimize the experimental parameters of the nitriding process in order to tend towards optimal passivation. Firstly, the elaborated GaN layer structure is obtained by LEED patterns after their crystallization by an annealing at 620°C as well as the surface morphology obtained by SEM images. Then, chemical passivation of the nitrided GaAs layers is studied by AR-XPS measurements and the photoluminescence improvement of the GaAs substrate after nitridation is highlighted by µPL measurements. Finally, the nitridation process benefits electrical parameters of the Schottky diodes based on GaAs, optimizing them.; La passivation de la surface des semi-conducteurs III-V est une technique adaptée pour éliminer les effets indésirables qui perturbent le bon fonctionnement des dispositifs optoélectroniques. L’objectif de ce travail est de passiver la surface du GaAs par nitruration par plasma N2 généré par deux sources de nitruration différentes : la GDS (Glow Discharge Source) et l’ECR (Electron Cyclotron résonance). Une première étude basée sur des mesures AR-XPS, des simulations DFT et un modèle cinétique raffiné a permis d’identifier les trois étapes principales du processus de nitruration en mettant en évidence plusieurs phénomènes physiques. Une deuxième étude des effets de la passivation du GaAs par la couche mince de GaN créée en surface permet d’optimiser les paramètres expérimentaux du processus de nitruration pour tendre vers une passivation optimale. Ainsi, la structure des couches de GaN élaborés est déterminée par diffraction d’électrons lents (LEED) après une cristallisation par un recuit à 620°C et par des images MEB. De plus, la passivation chimique de la surface des couches de GaAs nitrurées après exposition à l’air est étudiée par des mesures AR-XPS et l’amélioration de la photoluminescence du GaAs après nitruration est mise en évidence par des mesures µPL. Finalement, le processus de nitruration a révélé un intérêt pour optimiser les paramètres électriques des diodes Schottky à base de GaAs.

Among the various processes for producing a ceramic matrix composite (CMC), few of them make it possible to obtain a material whose density exceeds 90%, except for Melt Infiltration (MI). The aim of this thesis is to develop a new ceramic matrix to develop a CMC with a residual porosity of less than 10%. Based on the process presented by Peter Greil in 1992, this matrix is developed using a hybrid process combining both the liquid and the solid paths. Thus, a powdered reactive filler composed of a mixture of TiSi2 and Ni has been associated with a preceramic resin. During its nitridation, the powder expands and compensates for the volume shrinkage of the resin. By pyrolysis of the resin and nitridation of the powder, under nitrogen, a nitride type matrix is formed. The metal additive, Ni, promotes the nitridation of the powder which, without its addition, remains partially nitride: Free Si remains in the matrix, and deteriorates the properties of the material. Several parameters influence this reaction: the particle size of the powder, the grinding method, the nickel content, the impurities, the shaping or the duration and the temperature of the heat treatment. All these parameters have been studied in order to elaborate the desired matrix. This new matrix was then characterized in order to study the evolution of its porosity, as well as its physicochemical properties such as its resistance to oxidation or its thermal stability. Finally, the feasibility of a composite was studied to complete this work.; Parmi les différents procédés d’élaboration d’un composite à matrice céramique (CMC), peu d’entre eux permettent d’obtenir un matériau dont la densité dépasse 90%, hormis la Melt Infiltration (MI). Le but de cette thèse est donc d’élaborer une nouvelle matrice céramique pour obtenir un CMC avec une porosité résiduelle inférieure à 10%. En se basant sur le procédé présenté par Peter Greil en 1992, cette matrice est élaborée selon un procédé hybride combinant d’une part la voie liquide et d’autre part la voie solide. Ainsi, une charge réactive pulvérulente, composée d’un mélange de TiSi2 et de Ni, a été associée à une résine précéramique. Lors de sa nitruration, la poudre s’expanse et compense le retrait volumique de la résine. Par pyrolyse de la résine et nitruration de la poudre, sous diazote, une matrice type nitrure est formée. L’additif métallique ajouté, Ni, favorise la nitruration de la poudre qui, sans son ajout, demeure partiellement nitrurée : Du Si libre subsiste dans la matrice, et détériore les propriétés du matériau. Un certain nombre de paramètres influe sur cette réaction : la granulométrie de la poudre, la méthode de broyage, la teneur en nickel, les impuretés, la mise en forme ou encore la durée et la température du traitement thermique. L’ensemble de ces paramètres a été étudié afin d’élaborer la matrice souhaitée. Cette nouvelle matrice a ensuite été caractérisée afin d’étudier l’évolution de sa porosité, ainsi que son comportement physico-chimique tel que sa résistance à l’oxydation ou sa stabilité thermique. Enfin, la faisabilité d’un composite a été étudiée pour conclure ces travaux de recherche.

Mechanical surface treatments are widely used in manufacturing industries in order to improve mechanical properties of materials. Among them, shot peening is certainly the most known, even if ultrasonic shot peening and laser shock peening are becoming more and more common. This work consists in a large study of shot peening, divided in three parts.The first one is focused on the conception of a semi analytical model for residual stress prediction after conventional shot peening or ultrasonic shot peening. An approach able to chain the whole shot peening process, starting from process parameters to residual stress field in a structure is proposed. Several numerical simulations of shot-body impacts are carried out in order to determine the parameters of the model.In the second part of this work, a characterization of the ultrasonic shot peening process is performed thanks to many experimental measurements and shot dynamic simulations.The last part of this PhD work corresponds to an experimental analysis focused on the combination of ultrasonic shot peeing with gas nitriding on a martensitic steel. A comparison between ultrasonic shot peening, conventional shot peeing and laser shock peening effects is finally proposed, Les traitements de surface occupent une place très importante au niveau industriel, visant à améliorer les propriétés mécaniques des matériaux. Parmi eux, le grenaillage de précontrainte (GC) est certainement le plus renommé, même si le grenaillage ultrasonore (GUS) et le choc laser (LSP) sont de plus en plus présents. Ce travail consiste en une étude approfondie du grenaillage qui peut être divisée en trois parties. La première partie propose un modèle semi analytique pour la prédiction des contraintes résiduelles après grenaillage conventionnel ou ultrasonore. Une démarche permettant d’obtenir la déformation d’une pièce à géométrie complexe à partir des paramètres du procède de grenaillage conventionnel ou ultrasonore a été mise en place. Plusieurs simulations numériques d’impacts bille-massif ont été réalisées dans l’objectif de choisir les variables à prendre en compte dans le modèle proposé. Dans une deuxième partie, plusieurs séries de mesures expérimentales et de simulations numériques de la dynamique des billes ont été réalisées afin de permettre une optimisation et une meilleure compréhension du GUS. Dans la dernière partie de ce travail, un grand nombre de mesures expérimentales ont été menées afin d’étudier le couplage entre le grenaillage ultrasonore et la nitruration gazeuse d’un acier martensitique. Enfin, une comparaison entre le grenaillage ultrasonore, conventionnel et le choc laser est proposée

Nitriding of steels is a thermochemical process for improving the mechanical properties by nitrogen diffusion and associated to nitrides precipitation of the alloying elements within the treated zone. This treatment results in a significant increase in hardness and to the introduction of residual compressive stresses. The scope of the study was to develop a nitriding cycle adapted to a steel grade for heavily loaded applications such as gears for the aerospace industry. A parametric study allowed the evaluation of the parameters criticality on the behavior of the chosen steel after nitriding. Based on these results, a nitriding cycle fulfilling the defined requirements has been proposed. Hardening of the nitrided layer was studied on Fe-Cr binary alloys in order to avoid complex precipitation phenomena observed in industrial grade steel. Transmission electron microscopy analyses confirmed, through the complete interpretation of the electron diffraction pattern, that three nitrides families develop on the faces of the cubic centered structure of ferrite and obey the orientation relationships of Baker-Nutting. These semi-coherent nitrides adopt a disk-shape geometry. Image analyses allowed the identification of the microstructural parameters (size distribution of the precipitates, width, inter-particles spacing and volume fraction). The knowledge of these parameters led to the development of a hardening model, based on particles bypassing by dislocations and taking into account the disk-shape geometry of the precipitates. It has been shown that the use of results coming from diffusion - precipitation models does not permit to reliably determine the hardness gradient of the nitrided layer. This inability results principally from the impossibility of these models to describe correctly the microstructure in terms of precipitates geometry and their size distribution, La nitruration est un procédé thermochimique permettant d'améliorer les propriétés mécaniques par diffusion d'azote et précipitation de nitrures d'éléments d'alliages dans la zone traitée. Ce traitement se traduit par une augmentation importante de la dureté et l'introduction de contraintes résiduelles de compression. L'objet de l'étude était de développer un cycle de nitruration adapté une nuance d'acier destinée à des applications fortement chargées pour des pignons de l'industrie aéronautique. Une étude paramétrique a permis de déterminer la criticité des différents paramètres sur la réponse à la nitruration de l'acier choisi. En s'appuyant sur ces résultats, un cycle de nitruration répondant aux critères définis a pu être proposé. Le durcissement des couches nitrurées a été étudié sur un alliage binaire Fe-Cr afin de s'affranchir des phénomènes de précipitation complexes observés dans les nuances d'acier industrielles. Des analyses en microscopie électronique en transmission ont confirmé, grâce à l'interprétation complète du cliché de diffraction électronique, que trois familles de nitrures se développent sur les faces de la structure cubique centrée de la ferrite et obéissent aux relations d'orientations de Baker-Nutting. Ces nitrures semi-cohérents adoptent une géométrie de disques. Les analyses d'image ont permis l'identification des paramètres microstructuraux de la précipitation (distribution en taille des précipités, épaisseur, distance inter-précipités et fraction volumique). La connaissance de ces paramètres a ensuite conduit au développement d'un modèle de dureté, basé sur le contournement des précipités par les dislocations et prenant en compte la géométrie sous forme de disques des précipités. Les résultats obtenus à partir des données expérimentales, ont montré que ce modèle estime correctement la dureté. Il a été démontré que l'utilisation de résultats issus de modèle de diffusion - précipitation ne permet pas de déterminer de manière fiable le gradient de dureté de la couche nitrurée. Cette incapacité résulte principalement de l'impossibilité de ces modèles à décrire correctement la microstructure du point de vue de leur géométrie et de leur distribution en taille

Among the various processes for producing a ceramic matrix composite (CMC), few of them make it possible to obtain a material whose density exceeds 90%, except for Melt Infiltration (MI). The aim of this thesis is to develop a new ceramic matrix to develop a CMC with a residual porosity of less than 10%. Based on the process presented by Peter Greil in 1992, this matrix is developed using a hybrid process combining both the liquid and the solid paths. Thus, a powdered reactive filler composed of a mixture of TiSi2 and Ni has been associated with a preceramic resin. During its nitridation, the powder expands and compensates for the volume shrinkage of the resin. By pyrolysis of the resin and nitridation of the powder, under nitrogen, a nitride type matrix is formed. The metal additive, Ni, promotes the nitridation of the powder which, without its addition, remains partially nitride: Free Si remains in the matrix, and deteriorates the properties of the material. Several parameters influence this reaction: the particle size of the powder, the grinding method, the nickel content, the impurities, the shaping or the duration and the temperature of the heat treatment. All these parameters have been studied in order to elaborate the desired matrix. This new matrix was then characterized in order to study the evolution of its porosity, as well as its physicochemical properties such as its resistance to oxidation or its thermal stability. Finally, the feasibility of a composite was studied to complete this work., Parmi les différents procédés d’élaboration d’un composite à matrice céramique (CMC), peu d’entre eux permettent d’obtenir un matériau dont la densité dépasse 90%, hormis la Melt Infiltration (MI). Le but de cette thèse est donc d’élaborer une nouvelle matrice céramique pour obtenir un CMC avec une porosité résiduelle inférieure à 10%. En se basant sur le procédé présenté par Peter Greil en 1992, cette matrice est élaborée selon un procédé hybride combinant d’une part la voie liquide et d’autre part la voie solide. Ainsi, une charge réactive pulvérulente, composée d’un mélange de TiSi2 et de Ni, a été associée à une résine précéramique. Lors de sa nitruration, la poudre s’expanse et compense le retrait volumique de la résine. Par pyrolyse de la résine et nitruration de la poudre, sous diazote, une matrice type nitrure est formée. L’additif métallique ajouté, Ni, favorise la nitruration de la poudre qui, sans son ajout, demeure partiellement nitrurée : Du Si libre subsiste dans la matrice, et détériore les propriétés du matériau. Un certain nombre de paramètres influe sur cette réaction : la granulométrie de la poudre, la méthode de broyage, la teneur en nickel, les impuretés, la mise en forme ou encore la durée et la température du traitement thermique. L’ensemble de ces paramètres a été étudié afin d’élaborer la matrice souhaitée. Cette nouvelle matrice a ensuite été caractérisée afin d’étudier l’évolution de sa porosité, ainsi que son comportement physico-chimique tel que sa résistance à l’oxydation ou sa stabilité thermique. Enfin, la faisabilité d’un composite a été étudiée pour conclure ces travaux de recherche.

Polarity is a critical issue for III-nitrides material system that has an impact on the quality of epitaxial films and the performance of nitride-based devices. But the understanding of the elementary mechanisms that are responsible for establishing metal or nitrogen polarity of the films on nonpolar substrate is lacking. The existing concepts are based on empirical observations and contain ambiguous results. One of the main reasons for that is the lack of precise analytical tools, allowing localized determination of polarity and atomic structure of layers, at the time, when main concepts for polarity control were established. In this work we develop a concept of polarity control in AlN and GaN layers grown by MOVPE on sapphire substrates. The polarity of the layers is studied by aberration corrected HRTEM and high resolution high-angle annular dark field (HAADF) scanning TEM. The analysis of the experimental investigations yields the following principal results: (i) mechanism that governs polarity selection; (ii) relation between sapphire surface nitridation and Al-polar domains in N-polar AlN films; (iii) possibility of controlled switching the layers polarity from N to Al by oxygen annealing.Understanding of this mechanism by which polarity is controlled opens up the possibilities for polarity engineering in nitride films and can give a clue to understanding polarity control in other material systems (e.g. oxides).; La polarité est une question critique pour le système de matériaux III-nitrures, qui a un impact sur la qualité des films épitaxies et la performance des dispositifs à base de nitrure. Mais la compréhension des mécanismes élémentaires responsables de l'établissement de la polarité N ou métallique des films sur le substrat non-polaire manque. Les concepts existants sont basés sur des observations empiriques et contiennent des résultats ambigus. Une des raisons principales est le manque d'outils analytiques, permettant la détermination localisée de la polarité et de la structure atomique des couches à l'époque, lorsque les concepts de contrôle de la polarité ont été établis. Dans ce travail, nous développons un concept de contrôle de la polarité dans les couches AlN et GaN épitaxies sur substrat de saphir par EPVOM. La polarité des couches est étudiée par microscopie électronique en transmission (MET) haute résolution corrigée des aberrations et par microscope électronique à balayage en transmission en champ sombre (HAADF-STEM). L'analyse des investigations expérimentales donne les principaux résultats suivants : (i) le mécanisme qui régit la sélection de la polarité ; (ii) la relation entre la nitruration de la surface et les domaines de polarité Al dans les films d'AlN N-polaire ; (iii) possibilité d’inverser la polarité N de films d’AlN de polarité mixte en introduisant un recuit sous oxygène. La compréhension de mécanisme par lequel la polarité est contrôlée ouvre les possibilités d'une ingénierie de polarité dans les films de nitrure et peut donner une idée de la compréhension du contrôle de la polarité dans d'autres systèmes de matériaux (par exemple, les oxydes).

The aim of this thesis is to determine the influence of two mechanical surface treatments, the shot- peening performed with several type of balls (WC, alumina and glass) and the laser shock peening, on the high temperature oxidation resistance of two titanium alloys : alpha alloy with commercially purity (Grade 1) and aeronautical beta metastable alloy (TIMETAL-21S).After different treatments, the pieces are oxidized with different conditions: of time (between 5 hours to study the firsts times of oxidation and 3000 hours to compare with a classical aeronautical test), of temperature (600°C to 700°C) and atmosphere (dry air or oxygen).The pieces are analyzed before and after oxidation exposure with several mechanical (micro-hardness, strain measurements), chemicals (XRD, nuclear microprobe) and structural (EBSD, texture) techniques. The results show a large surface perturbation before the high temperature exposure in term of morphological, mechanical, structural and chemical point of view.This mechanical treatments lead up to an oxidation rate reduction for all the different titanium alloys. This treatments modified the diffusion rate of several elements (nitrogen, oxygen, molybdenum or aluminum) but also the microstructure (recrystallization, grain morphology or texturing) during high temperature exposure. Nitrogen element plays an important role in the observed phenomena.However, the determination of consequences after mechanical treatment on the titanium oxidation resistance is again difficult with the observations noted in this work. Actually, there is a simultaneous contributions of several factors: chemical, mechanical and structural., Cette thèse vise à déterminer l’influence de deux traitements mécaniques, le grenaillage SMAT effectué avec plusieurs types de billes (en WC, en alumine et en verre) et le choc laser, sur la résistance à l’oxydation haute température de deux alliages de titane : un alliage alpha commercialement « pur » (Grade 1) et un alliage aéronautique béta métastable (TIMETAL-21S).Une fois traitées, les pièces sont oxydées avec différentes conditions : de durée (entre 5 heures pour étudier les premier instants de l’oxydation et 3000h pour se rapprocher d’un essai type en aéronautique), de température (600°C à 700°C) et d’atmosphère (air sec et oxygène).Les pièces sont analysées avant et après oxydation à l’aide de plusieurs techniques d’analyses : mécaniques (dureté, mesures de contraintes), chimiques (DRX, microsonde nucléaire, …) ou structurales (EBSD, texture).Les résultats obtenus montrent que les traitements perturbent fortement les pièces avant leur exposition à haute température d’un point de vue morphologique, structural, mécanique et chimique. Ces traitements mécaniques amènent une réduction de l’oxydation des pièces étudiées. Il semble qu’ils modifient la vitesse de diffusion des espèces (azote, oxygène, aluminium, molybdène) mais aussi la microstructure (recristallisation, morphologie de grain ou texturation) au cours de la mise en température. L’azote joue un rôle essentiel dans les phénomènes observés.Néanmoins, la détermination des conséquences de ces traitements sur la résistance à l’oxydation reste encore complexe de par les observations de ce travail, qui révèlent une contribution simultanée de plusieurs facteurs : chimiques, mécaniques et structuraux.

This study focuses on the hybrid bearings fatigue (Si3N4 / Duplex M50) which are submitted to extreme stresses. Firstly, we studied the rolling contact fatigue of artificially dented rollers made of through-hardened M50 and Duplex M50, in the case of hybrid contact. We have been consequently able to highlight the prominent role of the sliding. We also characterized and located the damage due to the extreme conditions. What is more, two studies have been led: one about the cracking damage of Duplex M50 rollers, especially radial cracks on dent edges, the other about the cracking damage of silicon nitride rollers, especially C-shaped cracks. These studies allowed to assess the material strength in conditions of severized stresses. Secondly, we developed an assessment method of the plastic gradient through micro-hardness measurings. This process allowed us to characterize the Duplex M50 in the diffusion layer formed during nitriding. The denting process was then simulated using the ABAQUS finite element software. The simulations made it possible to analyze the mechanisms responsible for the cracking of dents made on Duplex M50. Eventually, a tridimensional numerical study focusing on dent over-rolling has been led using the ISAAC semi-analytical code, computed at the LAMCOS laboratory of INSA-Lyon (Lyon, FRANCE). This study made it possible to evaluate the loading path in the vicinity of dents submitted to RCF. The use of Dang Van criterion then allowed to give indications about damage prediction in the vicinity of dents., Ce travail est consacré à l’étude de la fatigue des roulements hybrides (Si3N4 / M50 Duplex) soumis à des sollicitations extrêmes. Dans un premier temps, nous avons étudié le comportement expérimental du M50 trempé et du M50 Duplex sollicités en fatigue de roulement en présence d’indentation artificielle, dans le cas d’un contact hybride. Nous avons alors pu mettre en évidence le rôle prépondérant du glissement et nous avons pu caractériser et localiser l’endommagement relatif à ces conditions extrêmes. Aussi deux études portant sur la fissuration des éléments M50 Duplex, fissures radiales en bord d’indent, et sur la fissuration des éléments céramique Si3N4, sous forme de C-Cracks, ont été réalisées et ont permis d’évaluer la résistance de ces matériaux en sollicitation aggravée. Dans une seconde étape, nous avons mis au point une méthode d’évaluation du gradient de plasticité par mesure de la micro-dureté qui nous a permis de caractériser le M50 Duplex dans la zone de diffusion de la nitruration. Le processus d’indentation a alors été simulé par le logiciel éléments finis ABAQUS. Ces simulations ont permis d’analyser les mécanismes responsables de la fissuration des indents sur M50 Duplex. Enfin une étude numérique tridimensionnelle du roulement sur indent a été réalisée via le code semi-analytique ISAAC, développé au laboratoire LAMCOS de l’INSA de Lyon. Cette étude a permis d’évaluer le cycle de chargement au voisinage d’indents sollicités en fatigue de roulement. L’application du critère de Dang Van à ce cycle de sollicitation a alors permis de donner des indications quant à la prédiction de l’endommagement au voisinage d’indents.

National audience; La nitruration gazeuse est un traitement thermochimique contrôlée par la température, le temps et le potentiel azote superficiel qui influencent de façon notable les propriétés méca- niques (dureté, contraintes résiduelles) et la durée de vie des pièces mécaniques traitées. Cet article propose une méthodologie permettant l’optimisation des paramètres de nitruration en utilisant un modèle multiphysique décrivant complètement le traitement : microstructure, mécanisme de diffusion/précipitation, dureté et génération des contraintes résiduelles.

Helicopter power transmission parts are manufactured in high-tensile steel 32CrMoV13, which is case-hardened by nitriding. After nitriding, functional surfaces such as bearing races are grinded in order to give them adequate tolerances, roughness and surface topology. When not properly controlled, the grinding operation can create micro-crack networks on the finished surface.The aim of the study was to gain an understanding of the phenomenon by determining the local conditions at the surface generating and propagating the cracks.A literature study highlighted a strong link between micro-cracks and cyclic thermal loads. This load was identified for grinding operations by measuring the temperature and forces at the tool-workpiece interface. The results have shown a strong link between specific removal rate, efforts, and thermal load. The analysis of residual stresses after grinding showed the existence of a transition domain in which the surface is not cracked, but is in a tensile state.A 3D thermo-mechanical numerical model for grinding of nitrided 32CrMoV13 steel was developed using SYSWELD®, in order to predict the residual stress distribution in the workpiece after grinding. It uses a pure thermal load to represent the action of the tool on the surface. Its magnitude and distribution were studied in order to accurately represent the material removal induced by the grinding wheel.Thanks to the simulations, the degradation mechanism was exposed: under the thermal load, the matter heats up locally and undergoes a high compression, surpassing its tensile stress. During cooling, the damaged matter then passes to a tensile state, prone to cracking., Les éléments de transmission d’hélicoptère sont réalisés en acier à haute limite d’élasticité 32CrMoV13. Les pièces sont nitrurées afin de leur conférer une dureté superficielle élevée. Après nitruration, les surfaces fonctionnelles telles que les pistes de roulements sont rectifiées afin de respecter des tolérances géométriques, de rugosité et de topologie de surface. Lorsque non-maîtrisée, l’opération de rectification peut générer des réseaux de microfissures sur la surface finie. Ce défaut est communément appelé faïençage.Le but de l’étude était de comprendre ce phénomène grâce à la détermination des conditions locales qui génèrent et propagent ces fissures à l’interface meule-pièce.Une étude de la bibliographie a mis en avant un lien fort entre faïençage et sollicitations thermiques cycliques. L’identification de cette sollicitation en rectification a été réalisée grâce à des relevés de température et d’efforts à l’interface outil/pièce. Les résultats ont démontré une corrélation entre le débit spécifique, les efforts et le flux thermique absorbé par la pièce. L’analyse des contraintes résiduelles après rectification a permis de mettre en évidence l’existence d’un domaine de transition dans lequel la surface n’est pas fissurée, mais comporte des contraintes résiduelles de traction.Un modèle thermomécanique 3D de rectification du 32CrMoV13 nitruré a été développé dans le logiciel de simulation par éléments finis SYSWELD® pour prédire la distribution de contraintes résiduelles dans une pièce après rectification. L’action de l’outil est reproduite par un chargement thermique pur. Sa puissance et sa distribution ont été étudiées afin qu’il représente l’enlèvement de matière engendré par la meule.Grâce à la simulation, le mécanisme d’endommagement a pu être visualisé : sous le chargement, le matériau s’échauffe localement et subit ainsi une compression dépassant sa limite d’élasticité. Lors du refroidissement, le matériau endommagé bascule ensuite dans un état de traction, propice à la fissuration.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les matériaux nanocristallins présentent des propriétés de diffusion accrues dues à leur forte densité de joints de grain. Afin de maitriser totalement le processus de diffusion lors de traitements thermochimiques de tels matériaux, ces travaux s'attachent à donner un modèle de coefficient de diffusion macroscopique en fonction de la taille et de la forme des grain dans un polycristal. Ils s'appuient sur une technique d'homogénéisation effectuée après une analyse par éléments finis sur des volumes élémentaires représentatifs. On construit ainsi une expression analytique du coefficient de diffusion macroscopique en fonction de la taille de grain et de la surface de joints de grain projetée sur la direction de diffusion. Par une analyse de schémas élémentaires en deux dimensions, on extrapole le modèle trouvé à toute microstructure périodique.

Surface patterning can improve friction properties of a lubricated contact by the generation of hydrodynamic pressure. The objective of the ANR project MicroGaMe was to pattern the surface of a mechanical seal in austenitic stainless steel. We developed a process based on the use of low-temperature plasma-assisted thermochemical treatments (nitriding and carburizing). The study of the treated layers leads to a better understanding of its nature and of the formation mechanisms and also reveals the presence of nanoprecipitates. During the treatments, a deformation occurs in a direction perpendicular to the surface (called “swelling”) as a consequence of high internal stresses, which can be used as an original patterning driving force. To obtain a “positive” pattern, we treated samples through laser-cut steel plates. A “negative” motif (cavitie) requires the use of a discontinuous mask so we tested different deposition techniques. As the specific shape and dimensions needed for the application to a mechanical seal cannot be obtained with this approach, we also develop an ion etching process, which has been successfully applied to real size piece, Une micro-structuration de surface peut améliorer les propriétés en frottement d’un contact lubrifié grâce à la génération de pression hydrodynamique. Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet ANR MicroGaMe, dont l’objectif était de structurer la surface d’une garniture mécanique en acier inoxydable austénitique. Nous avons développé un procédé basé sur l’utilisation des traitements thermochimiques à basse température (nitruration et carburation) assisté par plasmas froids. L’étude des couches obtenues après traitements a permis d’améliorer la compréhension de leur nature et de leur formation et de mettre en évidence la présence de précipités nanométriques. Lors des traitements, une déformation dans la direction perpendiculaire à la surface (appelée « gonflement »), et qui est la conséquence de fortes contraintes internes, peut être utilisée de façon originale comme moteur de structuration. Afin d’obtenir un motif « positif », nous avons traité les échantillons à travers des plaques d’acier percées par laser. La réalisation d’un motif « négatif » (cavité) nécessitant l’utilisation d’un masque discontinu, nous avons testé plusieurs voies de dépôts. La forme et les dimensions spécifiques à la garniture mécanique ne pouvant être obtenu par cette approche, nous avons également développé un procédé de gravure ionique, qui a pu être appliqué avec succès aux pièces à taille réelle

Le but de cette étude est de mettre en place un modèle de calcul en fatigue prenant en compte les caractéristiques mécaniques d’un matériau nitruré. Le travail est réalisé sur acier de nuance 32CrMoV13 utilisé dans la conception de pignon de transmission de puissance par Hispano-Suiza. Thèse CIFRE, Hispano-Suiza, Grupe Safran

International audience; Dans l'industrie aéronautique, les pistes de roulement à billes des éléments de transmission sont nitrurées pour leur conférer une dureté élevée et un état de contraintes résiduelles de compression. Elles sont ensuite rectifiées pour obtenir les dimensions et la rugosité propices à leur bon fonctionnement. La rectification des pistes doit garantir de ne pas détériorer l'état de contraintes résiduelles obtenu par nitruration. Afin d'étudier l'impact des conditions de rectification, un chaînage des deux procédés a été réalisé dans SYSWELD.

Indium phosphide (InP) is a III-V semiconductor, which represents an ideal candidate for optoelectronic applications. However, its spontaneous oxidation in air leads to the loss of its electrical properties. The surface passivation becomes a key step for its integration in attractive optoelectronic devices. As part of this thesis, we are interested in studying the passivation of the InP surface by nitridation. We reproducibly realized the formation of a polyphosphazene-like (H2N-P=NH)n film on InP by electrochemical treatment in liquid ammonia (-55°C). The monitoring of the film formation was performed using a systematic coupling between electrochemical measurements (J = f(E), J = f(t), E = f(t), and C = f(E)) and XPS analysis (X-ray photoelectron spectroscopy) to follow the chemical composition of the surface. These techniques provide some answers about the nitridation mechanism of InP surface by a wet process (anodization in NH3 liq), leading to the formation of the phosphazene film through an ECE mechanism “Electrochemical-Chemical-Electrochemical”. The study of the air ageing of the modified surface using XPS analysis revealed the protective nature of the film. The high value of the interfacial capacity after the anodic treatment suggests that the modified interface (Electrolyte-Insulator-Semiconductor-like) is in accumulation state and behaves like a "real" capacitor., Le phosphure d’indium (InP) est un semiconducteur III-V aux propriétés adaptées aux applications optoélectroniques. Toutefois, son oxydation spontanée à l’air engendre une dégradation de ses propriétés électriques. La passivation de sa surface devient donc une étape clé pour son intégration dans des dispositifs optoélectroniques attractifs. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l’étude de la passivation de surface de InP par nitruration. Nous avons réalisé de manière reproductible la formation d’un film de type polyphosphazène ( H2N-P=NH )n sur InP par voie électrochimique dans l’ammoniac liquide (-55°C). Le suivi de la croissance du film sur InP a été effectué grâce au couplage systématique de mesures électrochimiques (J = f(E), J = f(t), E = f(t) et C = f(E)) avec des analyses de composition chimique de surface par XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). Chacune de ces techniques apporte des éléments sur la compréhension du mécanisme de nitruration de la surface de InP en solution (anodisation en milieu NH3 liq), nous permettant ainsi de proposer un mécanisme de formation du film de phosphazène de type ECE « Electrochimique-Chimique-Electrochimique ». L’étude par XPS de la stabilité à l’air de la composition chimique de surface de InP traité a révélé le caractère protecteur du film. La valeur élevée de la capacité interfaciale après traitement anodique suggère que l’interface modifiée (de type Electrolyte-Insulator-Semiconductor) est en régime d'accumulation et se comporte comme un « vrai » condensateur.

Gas nitriding is a thermochemical surface treatment widely used by gear manufacturers to improve the rolling contact fatigue endurance of their components. Indeed, increasing the hardness and introducing compressive residual stresses to the geartooth surfaces inhibit or delay crack initiation and propagation. However, most of the alloyed steel nitrided layers show the presence of intergranular carbide networks. The precipitation of these carbides specifically occurs at parallel grain boundaries during the treatment and, being a carbon-rich phase, they are associated to tough and fragile heterogeneities. Besides, standards for gear material quality recommend a broad range of steel grain sizes which lead to various possible microstructures on gear components after nitriding. Indeed, the intergranular carbide network morphology depends on the steel grain size. Since there is no evidence regarding the real effect of the carbides on rolling contact fatigue, this work presents experimental investigations carried out on a twin-disc machine. The tests consist in reproducing surface-initiated pitting on specimens whose nitrided layers, obtained by a unique thermochemical surface treatment, display similar mechanical properties (hardness and compressive residual stresses) but different microstructures (grain sizes and carbide network morphologies). The first analysis resulted in suggesting the micro-crack nucleation mechanisms. In this study, the test conditions were chosen to induce these micro-cracks near the disc surfaces. For a given contact stress field, nucleation sites depend on the steel grain size and can take place at intergranular carbides. Investigations of crack networks led on cross sections and 3D observations by means of high energy X-ray computed tomography, coupled with compressive residual stress evolution analysis, help the authors proposing the rolling contact fatigue crack propagation scenarios in nitrided layers. When contact shear stresses locally exceed the material micro-yield shear stress limit, micro-deformations arise and add compressive residual stresses to the treated layers. To accommodate these volume variations the compressive residual stresses, initially induced by nitriding, release at depths where contact stresses are lower. The pre-existing residual stresses being less compressive, micro-cracks near the surface can propagate through the carbides that act as preferential crack growth sites. When the nitrided layers display high carbide density, the intergranular precipitates drag the cracks toward the core, whereas rolling contact fatigue failures are limited to the near surface when the distance between the precipitates is too important. Finally, the length and the continuity of the carbides, linked to the steel grain size, locally increase the crack propagation speed. This gives rise to a lower endurance to surface-initiated pitting in coarse microstructures., La nitruration gazeuse est utilisée par les fabricants d’engrenages pour traiter la surface des dentures. En effet, l’augmentation de la dureté et l’introduction de contraintes résiduelles de compression contribuent à retarder voire inhiber l’initiation et la propagation des fissures superficielles de fatigue de contact. Cependant la majorité des aciers alliés présentent des réseaux de précipités de carbures dans la couche nitrurée. Ceux-ci ont la particularité de se retrouver aux joints de grains relativement parallèles à la surface, ce qui leurs ont attribué les surnoms de «liserés de carbures». Associés à une phase dure et fragile, ces carbures constituent des zones d’hétérogénéités. Par ailleurs, la norme pour la qualité des matériaux d’engrenages autorise une large gamme de tailles de grains, conduisant à diverses microstructures pour les couches nitrurées des aciers alliés. En effet, la morphologie des réseaux de carbures après nitruration dépend entre autres de la taille de grain de l’acier. De par le manque de travaux sur l’impact réel de ces précipités sur la fatigue de contact, la présente étude propose des analyses d’essais. Les essais consistent à reproduire de l’écaillage initié en surface sur des éprouvettes dont les couches nitrurées, issues d’un seul traitement thermochimique, présentent les mêmes propriétés mécaniques (dureté et contraintes résiduelles) mais différentes propriétés microstructurales (tailles de grains et morphologies de carbures). Les analyses ont permis de proposer des mécanismes d’initiation de micro-fissures induites en proche surface sous les conditions d’essai appliquées. Les sites d’initiation dépendent de la taille de grain de l’acier et peuvent en particulier s’établir au niveau des carbures intergranulaires. L’étude des réseaux de fissures couplée à l’analyse des contraintes résiduelles a permis d’établir des scénarii de propagation des fissures dans les couches nitrurées. Sous les conditions de contact appliquées, l’apparition de déformation plastique entraîne, par accommodation des variations de volume, la relaxation des contraintes résiduelles compressives initialement présentes dans le matériau, aux profondeurs les moins sollicitées. Ces contraintes étant moins compressives, elles libèrent les micro-fissures déjà présentes en proche surface. Dès lors, la propagation au travers des carbures qui s’apparentent à des sites privilégiés pour la croissance des fissures en cours de fatigue est possible. En particulier, ces précipités entraînent les fissures vers le cœur lorsqu’ils sont en forte densité dans les couches nitrurées, tandis que l’endommagement reste superficiel lorsque l’éloignement entre les précipités est trop important. Enfin, la continuité et la longueur des carbures augmentent localement la vitesse de propagation des fissures. Ceci se traduit par l’apparition plus rapide de l’écaillage initié en surface pour les couches nitrurées de microstructures grossières.

International audience; Le traitement thermochimique de nitruration est un traitement de surface permettant d'améliorer la durée de vie en fatigue des pièces traitées. Les dernières avancées dans ce domaine permettent de définir les paramètres technologiques du procédés en fonction des caractéristiques mécaniques en fatigue recherchées. Ce papier permet de parcourir l'ensemble des phé- nomènes physicochimiques (diffusion, précipitation, mécanique des matériaux) mis en jeux dans le traitement de nitruration, leurs modélisations multiéchelles et leurs limitations.

Helicopter power transmission parts are manufactured in high-tensile steel 32CrMoV13, which is case-hardened by nitriding. After nitriding, functional surfaces such as bearing races are grinded in order to give them adequate tolerances, roughness and surface topology. When not properly controlled, the grinding operation can create micro-crack networks on the finished surface.The aim of the study was to gain an understanding of the phenomenon by determining the local conditions at the surface generating and propagating the cracks.A literature study highlighted a strong link between micro-cracks and cyclic thermal loads. This load was identified for grinding operations by measuring the temperature and forces at the tool-workpiece interface. The results have shown a strong link between specific removal rate, efforts, and thermal load. The analysis of residual stresses after grinding showed the existence of a transition domain in which the surface is not cracked, but is in a tensile state.A 3D thermo-mechanical numerical model for grinding of nitrided 32CrMoV13 steel was developed using SYSWELD®, in order to predict the residual stress distribution in the workpiece after grinding. It uses a pure thermal load to represent the action of the tool on the surface. Its magnitude and distribution were studied in order to accurately represent the material removal induced by the grinding wheel.Thanks to the simulations, the degradation mechanism was exposed: under the thermal load, the matter heats up locally and undergoes a high compression, surpassing its tensile stress. During cooling, the damaged matter then passes to a tensile state, prone to cracking., Les éléments de transmission d’hélicoptère sont réalisés en acier à haute limite d’élasticité 32CrMoV13. Les pièces sont nitrurées afin de leur conférer une dureté superficielle élevée. Après nitruration, les surfaces fonctionnelles telles que les pistes de roulements sont rectifiées afin de respecter des tolérances géométriques, de rugosité et de topologie de surface. Lorsque non-maîtrisée, l’opération de rectification peut générer des réseaux de microfissures sur la surface finie. Ce défaut est communément appelé faïençage.Le but de l’étude était de comprendre ce phénomène grâce à la détermination des conditions locales qui génèrent et propagent ces fissures à l’interface meule-pièce.Une étude de la bibliographie a mis en avant un lien fort entre faïençage et sollicitations thermiques cycliques. L’identification de cette sollicitation en rectification a été réalisée grâce à des relevés de température et d’efforts à l’interface outil/pièce. Les résultats ont démontré une corrélation entre le débit spécifique, les efforts et le flux thermique absorbé par la pièce. L’analyse des contraintes résiduelles après rectification a permis de mettre en évidence l’existence d’un domaine de transition dans lequel la surface n’est pas fissurée, mais comporte des contraintes résiduelles de traction.Un modèle thermomécanique 3D de rectification du 32CrMoV13 nitruré a été développé dans le logiciel de simulation par éléments finis SYSWELD® pour prédire la distribution de contraintes résiduelles dans une pièce après rectification. L’action de l’outil est reproduite par un chargement thermique pur. Sa puissance et sa distribution ont été étudiées afin qu’il représente l’enlèvement de matière engendré par la meule.Grâce à la simulation, le mécanisme d’endommagement a pu être visualisé : sous le chargement, le matériau s’échauffe localement et subit ainsi une compression dépassant sa limite d’élasticité. Lors du refroidissement, le matériau endommagé bascule ensuite dans un état de traction, propice à la fissuration.

Coupled mechanical and thermochemical surface treatments have been the subject of much research effort in recent years. The goal of such a coupling is to improve diffusion kinetics leading to increased penetration depths, and/or to decrease the treatment temperature for mechanically pretreated materials. In this work, SMAT (Surface Mechanical Attrittion Treatment), used to refine the grain size by severe plastic deformation, is combined with plasma nitriding of a 316L medical-grade stainless steel. This duplex process significantly improves nitrogen diffusion. An intermediate treatment between SMAT and plasma nitriding is also proposed and its significant effect on the nitrogen diffusion is demonstrated. Comparisons between nitrided-only samples and duplex-treated samples have shown up to 60% increase of the nitrided layer thickness. In order to better understand the link between the generated microstructures and the mechanical fatigue and tribological responses, the samples have been characterised by many different techniques. Also, a multiscale numerical model of the diffusion process is proposed in order to simulate the nitrogen concentration profiles after duplex treatment. The simulated and experimental profiles correspond rather well; Le couplage des traitements de surface mécaniques et thermochimiques a fait l’objet de nombreuses études ces dernières années. L’objectif d’un tel couplage est l’amélioration des cinétiques de diffusion d’espèces chimiques résultant en une augmentation des profondeurs de diffusion, et/ou une diminution de la température du traitement thermochimique sur les matériaux prétraités mécaniquement. Dans cette thèse, le procédé SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment) de nanocristallisation superficiel par déformation plastique sévère a été combiné avec la nitruration plasma sur un acier inoxydable 316L de qualité médicale. Ce procédé duplex permet une amélioration notable sur la capacité de diffusion de l’azote sous la surface de l’acier SMATé. Une étape intermédiaire entre le SMAT et la nitruration plasma a été proposée ; son rôle significatif pour la diffusion de l’azote a été démontré. Ainsi, la comparaison des résultats obtenus après la nitruration plasma sur les échantillons SMATés avec ceux uniquement nitrurés a permis de constater une augmentation jusqu’à 60% de l’épaisseur des couches nitrurées. Par ailleurs, de nombreux moyens de caractérisation ont été mis en œuvre à travers divers essais mécaniques de fatigue et de tribologie. Un modèle numérique multi-échelle de diffusion a également été développé pour simuler les profils de concentration d’azote après traitement duplex. Les profils de concentration d’azote simulés sont en bon accord avec les résultats expérimentaux

The opening of the civil aviation market to ceramic matrix composite materials requires the development of new methods of producing compatible with the production rates and manufacturing costs of the sector.For this purpose, experimental work was conducted to develop a silicon oxynitride matrix (Si2N2O) by combustion synthesis (or SHS), from reactive powders. In recent years, Si2N2O has emerged as a promising new high-temperature ceramic material, characterized by not only good mechanical properties, but also by a higher oxidation resistance than silicon carbide. The underlying basis of SHS relies on the ability of highly exothermic reactions to be self-sustaining and, therefore, energetically efficient. Powders are first milled, dispersed and stabilized in aqueous media, and then impregnated into a fibrous preform composed of the latest generation of silicon carbide fibers (Hi-Nicalon S). SHS reaction is then carried out in a reactor specially designed and dedicated to this study. Particular attention was focused on the optimization of experimental parameters for the synthesis of a Si2N2O based matrix. Silicon metal in a mixture with silica powder was combusted under pressurized nitrogen gas into silicon oxynitride. The pressure and the temperature rise rate were the principal parameters for the composition and microstructure of the matrix. These parameters have been the subject of extensive experimental work to reach a homogeneous matrix with a very high formation rate for silicon oxynitride (more than 90wt%) and with a level of residual porosity lower than 10%. This work was completed by the calculation of the physical properties of the matrix, by the mechanical characterization of the composite material, and finally by a temperature aging test under moist air., L’ouverture du marché de l’aéronautique civil aux matériaux composites à matrice céramique impose le développement de nouveaux procédés d’élaboration compatibles avec les cadences de production et les coûts de fabrication du secteur.À cette fin, des travaux expérimentaux ont été menés pour élaborer une matrice à base d’oxynitrure de silicium (Si2N2O) par procédé SHS, ou synthèse par combustion, à partir d’un mélange de poudres réactives.L’oxynitrure de silicium est une céramique thermostructurale prometteuse, caractérisée par de bonnes propriétés mécaniques, mais également par une résistance à l’oxydation supérieure à celle du carbure de silicium.Le procédé SHS est un procédé d’élaboration rapide dont le moteur est une réaction chimique suffisamment exothermique pour s’entretenir sans apport d’énergie extérieur.Les poudres sont préalablement broyées, mises en suspension, puis imprégnées dans une préforme fibreuse composée de fibres en carbure de silicium de dernière génération (Hi-Nicalon S). La réaction SHS est ensuite réalisée dans un réacteur spécialement conçu et dédié à cette étude.Une attention particulière a été portée sur l’optimisation des paramètres d’élaboration pour la synthèse d’une matrice à base Si2N2O. La synthèse s’effectue par la nitruration sous pression d’un mélange dans les bonnes proportions d’une poudre de silicium et d’une poudre de silice. La réaction chimique s’amorce à la température de fusion du silicium. La pression d’élaboration et la vitesse de montée en température constituent les paramètres principaux régissant la composition et la microstructure de la matrice. Ces paramètres ont fait l’objet d’une étude expérimentale approfondie pour parvenir à une matrice homogène, composée à plus de 90% d’oxynitrure de silicium et assurant un taux de porosité résiduelle du composite inférieur à 10%. Ce travail a été complété par le calcul des propriétés élastoplastiques de la matrice, par la caractérisation mécanique à l’échelle du composite, et par un test de vieillissement en température sous air humide.

Optimizing the surface microstructure and properties is very important to obtain high performance behaviour. Applying appropriate mechanical and thermochemical treatments has been the prime objective of metallurgists. More recently, and particularly for the stainless steels, the Plasma Nitriding was found to be an efficient technique for enhancing the hardness and wear resistance. However, as the nitriding temperature is about 500 °C, the formation of nitrides on the surface leads to a decrease of the corrosion resistance of these alloys. Recent works have shown that using a mechanical pre-treatment allows to decrease the treatment temperature and duration, and also to enhance the nitrogen diffusion within the stainless steels surfaces. In the present work, performances of different Duplex treatments (mechanical + thermochemical) are studied. The Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT), cold rolling and the High Current Pulsed Electron Beam (HCPEB) are used as surface activators prior to plasma nitriding of stainless steels. Before studying the effect of surface activation on the nitrogen diffusion, the effect of the different SMAT parameters (balls size, balls nature, treatment duration … etc.) on the microstructure is analysed. A new technique based on the notion of Geometrically Necessary Dislocations (GND) is used to depict the thickness of the different SMAT-induced layers and compare the effect of the processing parameters. Then, comparative analysis of the results obtained after nitriding of mechanically deformed samples leads to quantify the effect of the different Duplex treatments. X-Ray Diffraction, Secondary Electron Microscopy associated with Electron BackScattered Diffraction (EBSD), hardness measurement and chemical composition analysis by Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES) showed the importance of the surface microstructure and deformation state on the nitrogen diffusion; L’optimisation des microstructures de surface est un facteur primordial pour améliorer les propriétés et la durée de vie des matériaux. Pour le traitement des aciers inoxydables, la nitruration est un procédé adéquat permettant l’augmentation de la dureté et de la résistance à l’usure par formation d’une austénite «expansée» sursaturée en azote. Des travaux récents ont suggéré que l’activation de surface par un traitement mécanique préalable permettait d’augmenter les cinétiques de diffusion de l’azote. Avec des traitements « duplex » de ce type, il doit donc être possible (i) d’augmenter l’épaisseur des couches nitrurées pour un temps de nitruration donné et/ou (ii) de diminuer la température de nitruration et éviter ainsi la formation de nitrures nuisibles à la tenue à la corrosion. La littérature montre toutefois qu’une couche de pollution issue du prétraitement peut affecter l’efficacité de la nitruration. L’objectif de ce travail était d’aider à l’optimisation de la maitrise de différents traitements « duplex » impliquant, avant une nitruration assistée plasma, les traitements mécaniques ou thermomécaniques suivants : le grenaillage ultrasonore (SMAT pour Surface Mechanical Attrition Treatment), le laminage et le traitement par faisceau d’électrons pulsé (HCPEB pour High Current Pulsed Electron Beam). La combinaison des traitements mécaniques et thermochimiques a été essentiellement testée sur deux nuances de l’acier inoxydable austénitique 316L (avec et sans sulfures) et, dans une moindre mesure, sur l’acier AISI 660. Afin de mieux caractériser l’effet des différents paramètres du procédé d’hyperdéformation SMAT (diamètre des billes, durée du traitement, amplitude de vibration, etc.) sur l’évolution de la microstructure, une procédure de caractérisation des couches écrouies utilisant l’EBSD a été proposée. Cette technique, basée pour partie sur l’évolution des Dislocations Géométriquement Nécessaires (GNDs), permet d’évaluer quantitativement l’épaisseur des différents types de couches formées en fonction des paramètres du procédé SMAT. Les natures des pollutions de la surface et leurs origines ont aussi été analysées. Une analyse de l’efficacité des différents types de traitements duplex a ensuite était réalisée en comparant systématiquement des résultats obtenus après nitruration sur des échantillons avec et sans activation de surface. Des analyses par diffraction des rayons X, des observations en microscopies électroniques, des mesures de microdureté ainsi que la mesure des profils de concentration en azote par SDL (Spectrométrie à Décharge Luminescente) ont été mises en œuvre pour quantifier les effets des traitements combinés. Les résultats ont montré la complexité des modifications de structures et la complexité des phénomènes mis en jeu

The Very Low Pressure Plasma Spraying (VLPPS) is an emerging deposition process tomanufacture metallic and ceramic coatings, under a very low surrounding pressure, typically about onehundred Pascal, thanks to a thermal plasma jet. Such a pressure range allows principallymanufacturing coatings by condensation of vapors resulting from the vaporization, partial or total, ofsolid precursors, in most of the cases. This is the main difference of this process compared to moreconventional thermal spray processes, which form coatings by spreading, solidification and stacking ofparticles melted in a high energy jet. Depending upon the spray operating conditions, coatingsmanufactured by VLPPS exhibit different types of microstructures, from columnar to lamellar, fromdense to porous. The coating building dual mode, made of condensed vapors and molten particles isalso possible.The aim of this work is to explore in a reactive mode the VLPPS potential to manufacturecoatings made of materials exhibiting a non-congruent melting behavior. Here, for a demonstrationpurpose, Aluminum and Titanium were considered as the metallic precursors and Nitrogen as thereactive element. Therefore, materials which could result would be Aluminum and Titanium nitrides.Some possible applications could result directly from this study: the manufacturing on large surfacesof Aluminum and Titanium nitride layers, exhibiting good oxidation resistance and tribologicalproperties, especially a high wear resistance.In this study, metallic coatings of Aluminum, Titanium and Aluminum-Titanium and Al-AlN,Ti-TiN and TiAl-TiAlN coatings were manufactured by reactive VLPPS. Nitrided composite coatingsexhibit, for example, higher average hardness than metallic coatings, Those coatings embed up to 30at.% of Nitrogen and TixN, AlN and TixAlN compounds were clearly identified., La projection plasma sous très basse pression (communément désignée par son acronymeanglais VLPPS : « Very Low Pressure Plasma Spraying ») est un procédé émergent de traitement desurface par voie sèche permettant l’élaboration de dépôts métalliques et céramiques (type oxydes),sous des conditions de pression réduite, de l'ordre d'une centaine de Pascal, par utilisation d'un jet deplasma thermique. Un tel niveau de pression permet principalement la formation de dépôts parcondensation de vapeurs résultant de la vaporisation, partielle ou totale, des précurseurshabituellement sous forme solide. C'est principalement en cela que ce procédé diffère des procédésplus conventionnels de projection thermique, conduisant à la formation de dépôts par l'écrasement, lasolidification et l'empilement de particules liquides fondues dans un jet de forte énergie. En fonctiondes conditions de projection employées, les revêtements élaborés par VLPPS peuvent présenterdifférents types de microstructure, de colonnaires à lamellaires, de très denses à poreuses. Le modemixte de construction, caractérisé par la présence de vapeurs condensées et particules fonduesresolidifées peut également être rencontré.L'objectif global de ce travail est d'explorer le potentiel du procédé VLPPS en mode réactif envue de former des dépôts de matériaux présentant une fusion non congruente. Pour ce faire,l'aluminium et le titane ont été considérés comme matériaux métalliques précurseurs et l'azote commeélément réactif. Les matériaux qui pourraient résulter seraient alors des nitrures d'aluminium et detitane. Ces matériaux ont été sélectionnés avant tout comme matériaux démonstrateurs. Desapplications potentielles pourraient cependant rapidement déboucher en cas de performancessatisfaisantes : l'élaboration, sur de grandes surfaces, de couches de nitrures de titane et d'aluminium,présentant de bonnes résistances à l'oxydation ainsi que de bonnes propriétés tribologiques,notamment une résistance élevée à l'usure.Au cours de cette étude, des dépôts métalliques d’aluminium, titane et titane-aluminium et desdépôts composites nitrurés Al-AlN, Ti-TiN et TiAl-TiAlN ont été élaborés par projection VLPPS enmode réactif. Les dépôts composites nitrurés présentent par exemple des duretés moyennes plusimportantes que celles des dépôts métalliques. Ces dépôts renferment jusqu'à 30%at. d'azote et lescomposés TixN, AlN et TixAlN ont été clairement identifiés.

International audience; The aim the present work is to determine the reaction kinetics between a TiSi 2 powder with gaseous nitrogen. Isothermal nitridation of TiSi 2 powders with fine (1.4µm) and medium (4.5µm) particle size has been studied in pure nitrogen atmosphere ranging from 1000 to 1200°C for duration up to 50 hours. The isothermal nitridation kinetics of TiSi 2 powders were investigated by thermogravimetry. The nitridation rate strongly depends on the particle size and temperature. The smaller particle size exhibits the higher nitridation rate due to its larger surface area. The conversion process is complex with nucleation and growth of TiN at the surface of the grain and Si 3 N 4 inside the grain promoted by Kirkendall effect with an influence of the volume increase.; Le but de ce travail est de déterminer la cinétique de réaction d'une poudre de TiSi2 avec de l'azote gazeux. La nitruration isotherme de poudres de TiSi2 d'une granulométries fine (1.4μm) et moyenne (4.5μm) a été étudiée dans une atmosphère d'azote pur entre 1000 et 1200°C pendant une durée allant jusqu'à 50 heures. La cinétique isotherme de nitruration de poudres de TiSi2 ont été étudiés par thermogravimétrie. Le taux de nitruration dépend fortement de la taille des particules et de la température. Les particules les plus petites présentent le taux de nitruration le plus grand en raison de leur plus grande surface. Le processus de conversion est complexe et met en oeuvre la nucléation et la croissance de TiN à la surface des grains et de Si3N4 à l'intérieur du grain, ce comportement est favorisé l'effet Kirkendall avec une influence sur le gain de volume.

The Very Low Pressure Plasma Spraying (VLPPS) is an emerging deposition process tomanufacture metallic and ceramic coatings, under a very low surrounding pressure, typically about onehundred Pascal, thanks to a thermal plasma jet. Such a pressure range allows principallymanufacturing coatings by condensation of vapors resulting from the vaporization, partial or total, ofsolid precursors, in most of the cases. This is the main difference of this process compared to moreconventional thermal spray processes, which form coatings by spreading, solidification and stacking ofparticles melted in a high energy jet. Depending upon the spray operating conditions, coatingsmanufactured by VLPPS exhibit different types of microstructures, from columnar to lamellar, fromdense to porous. The coating building dual mode, made of condensed vapors and molten particles isalso possible.The aim of this work is to explore in a reactive mode the VLPPS potential to manufacturecoatings made of materials exhibiting a non-congruent melting behavior. Here, for a demonstrationpurpose, Aluminum and Titanium were considered as the metallic precursors and Nitrogen as thereactive element. Therefore, materials which could result would be Aluminum and Titanium nitrides.Some possible applications could result directly from this study: the manufacturing on large surfacesof Aluminum and Titanium nitride layers, exhibiting good oxidation resistance and tribologicalproperties, especially a high wear resistance.In this study, metallic coatings of Aluminum, Titanium and Aluminum-Titanium and Al-AlN,Ti-TiN and TiAl-TiAlN coatings were manufactured by reactive VLPPS. Nitrided composite coatingsexhibit, for example, higher average hardness than metallic coatings, Those coatings embed up to 30at.% of Nitrogen and TixN, AlN and TixAlN compounds were clearly identified., La projection plasma sous très basse pression (communément désignée par son acronymeanglais VLPPS : « Very Low Pressure Plasma Spraying ») est un procédé émergent de traitement desurface par voie sèche permettant l’élaboration de dépôts métalliques et céramiques (type oxydes),sous des conditions de pression réduite, de l'ordre d'une centaine de Pascal, par utilisation d'un jet deplasma thermique. Un tel niveau de pression permet principalement la formation de dépôts parcondensation de vapeurs résultant de la vaporisation, partielle ou totale, des précurseurshabituellement sous forme solide. C'est principalement en cela que ce procédé diffère des procédésplus conventionnels de projection thermique, conduisant à la formation de dépôts par l'écrasement, lasolidification et l'empilement de particules liquides fondues dans un jet de forte énergie. En fonctiondes conditions de projection employées, les revêtements élaborés par VLPPS peuvent présenterdifférents types de microstructure, de colonnaires à lamellaires, de très denses à poreuses. Le modemixte de construction, caractérisé par la présence de vapeurs condensées et particules fonduesresolidifées peut également être rencontré.L'objectif global de ce travail est d'explorer le potentiel du procédé VLPPS en mode réactif envue de former des dépôts de matériaux présentant une fusion non congruente. Pour ce faire,l'aluminium et le titane ont été considérés comme matériaux métalliques précurseurs et l'azote commeélément réactif. Les matériaux qui pourraient résulter seraient alors des nitrures d'aluminium et detitane. Ces matériaux ont été sélectionnés avant tout comme matériaux démonstrateurs. Desapplications potentielles pourraient cependant rapidement déboucher en cas de performancessatisfaisantes : l'élaboration, sur de grandes surfaces, de couches de nitrures de titane et d'aluminium,présentant de bonnes résistances à l'oxydation ainsi que de bonnes propriétés tribologiques,notamment une résistance élevée à l'usure.Au cours de cette étude, des dépôts métalliques d’aluminium, titane et titane-aluminium et desdépôts composites nitrurés Al-AlN, Ti-TiN et TiAl-TiAlN ont été élaborés par projection VLPPS enmode réactif. Les dépôts composites nitrurés présentent par exemple des duretés moyennes plusimportantes que celles des dépôts métalliques. Ces dépôts renferment jusqu'à 30%at. d'azote et lescomposés TixN, AlN et TixAlN ont été clairement identifiés.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les traitements thermochimiques tels que la nitruration sont couramment utilisés pour augmenter la tenue en service des composants mécaniques. Le rôle bénéfique des contraintes résiduelles engendrées par ce type de traitement a été mis en évidence depuis longtemps. Beaucoup d'études ont été réalisées au niveau de la microstructure d'une couche nitrurée ainsi qu'au niveau de la génération des contraintes résiduelles, mais peu traitent de la déformation des pièces. Cependant, dans l'industrie aéronautique, la masse des composants étant constamment réduite, leurs géométries tendent à s'affiner. En raison de ces faibles épaisseurs, les déformations engendrées par les contraintes résiduelles - jusqu'alors considérées secondaires - ne sont plus négligeables et doivent être maîtrisées. La nitruration met en jeu des phénomènes multi-physiques complexes qui rendent difficile l'estimation des déformations. Ce travail se concentre sur l'aspect mécanique du traitement. Son objectif est de fournir un outil permettant de prédire le champ de déformation de nitruration de pièces complexes. La bibliographie montre que les contraintes résiduelles de nitruration prennent leur source dans la déformation volumique engendrée par la précipitation de l'azote avec les éléments d'alliage de l'acier traité. L'idée principale de cette étude est d'une part, d'identifier expérimentalement la déformation volumique - engendrée par la nitruration profonde de l'acier allié 32CDV13 - à l'aide de l'évaluation d'un profil de contrainte par diffraction de rayons X. D'autre part, de considérer que cette déformation volumique peut être numériquement vue comme une dilatation engendrée par la diffusion d'une seule quantité. Un problème de diffusion 'équivalent' est développé, puis identifié à l'aide d'un algorithme d'optimisation. Il est résolu à l'aide du code de calcul éléments finis SAMCEF, et validé sur un cas d'application industrielle.

In the context of ever more stringent environmental regulations, cost-effective weight savings have become a high-priority objective for car makers. Until today, the research effort deployed by steel makers has kept steel in a dominating position on this market against light alloys. However, the performances of current carbon steel grades start to show an asymptotic evolution. Nitrogen steel metallurgy represents a disruptive concept which is bound to outperform by far these current grades. Fe-Si-N alloys obtained through nitriding at 570 °C give rise to unexpected precipitation reactions. It has been shown that the species precipitating during nitriding is the stoichiometric nitride Si3N4. The precipitates display the unusual combination of an amorphous structure with a cuboidal morphology. This morphology can be explained by considering the minimization of the precipitation-induced elastic stress. This precipitation results in substantial hardening of the ferritic matrix and contributes to lowering the density of the final composite. The amorphous precipitates undergo a transition to a crystalline structure when the nitride alloys are subjected to annealing in a denitriding atmosphere. The occurring crystallites precipitate in the form of hexagonal prisms and exhibit a structure belonging to the P62c space group. Their composition however remains Si3N4. Finally, it has been demonstrated that such a transition can be modeled by the means of a kinetic model specifically developed in the present work to account for characteristic aspects of the nitriding treatment, Dans le cadre d'exigences environnementales toujours plus strictes, l'allègement des véhicules automobiles, à un coût maitrisé, est aujourd'hui un objectif fondamental des constructeurs. Jusqu'à aujourd'hui, l'effort d'innovation consenti par les sidérurgistes a permis à l'acier de conserver sa position dominante sur les alliages légers. Néanmoins, les performances des nuances actuelles au carbone montrent une évolution asymptotique. La métallurgie des aciers à l'azote constitue d'ores et déjà une solution disruptive qui promet de dépasser largement ces performances. Les alliages Fe-Si-N obtenus par nitruration à 570 °C donnent notamment lieu à des réactions de précipitations inédites. Il a été montré que la phase précipitant au cours de la nitruration est le nitrure stoechiométrique Si3N4. Il se présente sous forme de cuboïdes nanométriques dont la structure est amorphe. L'origine de cette morphologie se trouve dans la minimisation de l'énergie élastique engendrée par la précipitation. Ces précipités entrainent un durcissement considérable de la matrice ferritique et abaisse la densité globale du composite final. Les précipités amorphes sont susceptibles de subir une transition vers le cristal si les alliages nitrurés sont ensuite recuits dans une atmosphère dénitrurante. Les cristallites obtenues se présentent sous forme de prismes hexagonaux et ont une structure appartenant au groupe spatial P62c. La composition Si3N4 reste par contre inchangée. Enfin, il a été démontré que cette transition peut être modélisée à l'aide d'un modèle cinétique de précipitation développé spécifiquement dans ce travail pour prendre en compte les particularités du traitement de nitruration

FeCr ferritic or martensitic matrix reinforced by a thin and dense oxide dispersion (ODS steels) exhibit good radiation resistance and mechanical properties at high temperature. Thus, ODS steels are considered as candidate materials for core elements of future nuclear reactors. Based on this positive experience, a new type of material, inside which the oxide dispersion is replaced by a nitride dispersion (NDS steels) was elaborated at CEA Saclay. Two distinct ways of elaboration were used: mechanical alloying (MA) and nitriding. In this work, ODS and NDS steels were investigated at different steps of elaboration process (as-milled/as-nitrided, annealed up to 1000ºC and consolidated states) by Atom Probe Tomography and others complementary techniques. In ODS steels, it was shown that two simultaneous mechanisms occur during MA: dissolution of initial yttria powder and formation of Y-O-rich clusters due to precipitation and/or resulting from an incomplete dissolution. During subsequent annealing and consolidation, Y-O-rich clusters act as nuclei for formation of Y-Ti-O-rich nanoparticles. As far as NDS steels are concerned, it was shown that MA is an effective elaboration process. The microstructure contains significant amount of nanometer scale nitrides. An important feature is that their nucleation starts during MA process. As for the consolidated material, nanometer sizes and high number densities of nitrides are comparable to the values measured in different ODS steels. Concerning nitriding process, different types of nitrides (CrN, TiN) were observed in the NDS steels. However, the investigations showed that the microstructure is largely heterogeneous in this case and further optimization of the process are required for further application.; Les aciers ferritiques-martensitiques (FeCr) renforcés par une dispersion fine et dense d'oxydes (acier ODS - Oxide Dispersion Strengthened) possèdent une bonne résistance à l'irradiation et des propriétés mécaniques élevées à haute température. Les aciers ODS sont ainsi de bons candidats comme matériaux des structures de cœur des réacteurs de Génération IV. Il est envisageable de renforcer ces aciers par des nitrures nanométriques plutôt que par des oxydes (aciers NDS - Nitride Dispersion Strengthened). Dans cette thèse, des aciers ODS et NDS élaborés au CEA Saclay par 2 procédés distincts (mécanosynthèse et nitruration) sont étudiés par sonde atomique tomographique et d'autres techniques complémentaires, à différentes étapes du procédé d'élaboration (brut de broyage/nitruration, après recuit, après consolidation). Dans les aciers ODS, il apparait que deux mécanismes se produisent pendant la mécanosynthèse : la dissolution de la poudre d'oxyde d'yttrium initiale et la formation d'amas riches en Y et O. Il n'a pas été possible de déterminer si ces amas résultent d'un phénomène de précipitation ou d'une dissolution incomplète de l'oxyde initial. Pendant les recuits et la consolidation, ces amas servent de germes à la formation de particules riches en Y, Ti et O. En ce qui concerne les aciers NDS, que la mécanosynthèse est un procédé efficace pour obtenir une fine et dense dispersion de nitrures. Ces nitrures germent pendant l'étape de broyage mécanique. La taille et la densité numérique de ces nano-renforts dans le matériau consolidé sont similaires à ce qui est généralement observé dans les aciers ODS. Concernant le procédé de nitruration, différents nitrures sont observés (CrN, TiN). Il apparait que la microstructure obtenue est très hétérogène et que le procédé doit être optimisé.

This thesis focuses on two aspect of GaAs surface treatment using plasma in order to deposit controlled oxide and nitride layers. In both cases, various means of analysis were used to control the chemical composition and the thickness and the structure of produced layers. Theoretical calculations of the XPS signals established on a schematic representation of the samples allow the understanding the involved phenomena. The first study reported in this thesis has demonstrated the efficiency of a microwave plasma composed of O2 and SF6 for the cleaning of GaAs substrates having undergone one or several technological processes. The variation of plasma parameters such as composition, power and exposure time enables us to better understand the mechanisms of oxidation occurring on the surface. Particularly, the presence of SF6 in the plasma induces the decrease of the concentration of arsenic on the surface and thus improves the stability of the oxide. The second study of this work presents the nitridation of GaAs substrates with different orientations. More the benefits of using a low power GDS source to create high quality GaN layer on the surface is highlighted. This optimized process leads to an As-free nitride layer formed by the inter-diffusion of arsenic and nitrogen, and shows a near saturation of the nitride layer thickness as a function of exposure time. Furthermore, this layer is crystallized by annealing in a cubic lattice parameter close to that of c-GaN.; Ce mémoire porte sur deux aspects du traitement des surfaces de GaAs faisant appel à des plasmas, dans le but de déposer des couches contrôlées d’oxyde et de nitrure. Dans les deux cas divers moyens d’analyse ont été utilisés pour contrôler la composition chimique ainsi que l’épaisseur et la structure des couches créées. Des calculs théoriques des signaux XPS établis sur une représentation schématique des échantillons ont été à la base de la compréhension des phénomènes mis en jeu. La première étude exposée dans ce mémoire a permis de démontrer l’efficacité d’un plasma micro-ondes composé d’O2 et de SF6 pour le nettoyage de substrats de GaAs ayant subis un ou plusieurs processus technologiques. La variation de paramètres comme la composition ou la puissance du plasma et le temps d'exposition à celui-ci nous a permis de mieux comprendre les mécanismes d’oxydation se déroulant sur la surface. Notamment, la présence de SF6 dans le plasma diminue la concentration d’arsenic sur la surface et améliore ainsi la stabilité de l’oxyde. La seconde étude réalisée dans ce travail, qui présente la nitruration de substrats de GaAs suivant différentes orientations, a mis en évidence les avantages que procure l’utilisation d’une source GDS à faible puissance pour la création d’une couche surfacique de GaN de très bonne qualité. Ce processus optimisé amène à une couche de nitrure exempte de composés dus à l’inter-diffusion de l’arsenic et de l’azote, et montre une quasi-saturation de l’épaisseur de la couche de nitrure en fonction du temps d’exposition. De plus cette couche se cristallise par recuit en une maille cubique de paramètre proche de celui du GaN.

National audience; Limiter la fatigue et la corrosion des pièces est possible grâce à une nitruration. Des contraintes résiduelles en découlent. Le rôle de la diffusion du carbone sur le développement de ces contraintes a été étudié sur un acier modèle Fe-3%m.Cr-0.35%m.C.

A new CMC manufacturing process has been developped ; the active filler technique is used in order to obtain a low cost composite. Active fillers must react under nitrogen atmosphere at a temperature below 1100°C so that the Nicalon fiber reinforcement is not damaged. Two active fillers meeting these criteria and offering an interesting volume expansion have been identified : AlB2 et TiSi2.The planetary milling of these fillers has been explored in order to assess the influence of microstructure refinement on properties. Powders with high specific surface areas and of granulometry close to the nanometric scale were obtained. The nitridation of the active fillers was examined and a size effect on TiSi2 reactivity was displayed.Milled powders were used in colloidal suspensions in order to be impregnated in preforms. Samples were subsequently nitrided at 1100°C ; this step was crucial for matrix cohesion. A PIP cycle was eventually performed in order to reduce residual porosity.The oxydation behaviour of materials was studied in conditions corresponding to the considered aeronautics application. Mechanical properties of composites were estimated by 3 point bending tests. Combining the use of TiSi2 and of a polysiloxane enabled to obtain a composite whose maximum bending stress was remarkable considering the limited number of steps required for its processing., Un nouveau procédé d’élaboration de CMC par voie liquide a été développé ; il met en œuvre l’utilisation de charges réactives afin d’obtenir un composite à bas coût. Afin de préserver le renfort en fibres Nicalon, ces charges doivent réagir sous azote à une température inférieure à 1100°C. Deux charges réactives répondant ces critères et présentant une prise de volume intéressante ont été identifiées : AlB2 et TiSi2.Le broyage planétaire de ces charges a été étudié afin d’évaluer l’influence de l’affinement de la microstructure sur les propriétés. Des poudres de surface spécifique élevée et de granulométrie proche l’échelle nanométrique ont été obtenues. La nitruration des charges a été analysée et un effet de taille a pu être mis en évidence sur la réactivité du TiSi2.Les poudres broyées ont été mises en suspension pour être imprégnées au sein de préformes. Les échantillons ont ensuite subi une étape de nitruration à 1100°C, cruciale pour la cohésion de la matrice. Un cycle PIP a ensuite été réalisé pour diminuer la porosité résiduelle. L’oxydation des matériaux obtenus a été étudiée dans des conditions correspondant à l’application aéronautique visée. Les propriétés mécaniques des composites élaborés ont été évaluées par des essais de flexion 3 points. La combinaison de l’utilisation de la charge réactive TiSi2 et d’un polysiloxane a permis d’obtenir un composite dont la contrainte à rupture est remarquable compte tenu du faible nombre d’étapes nécessaires à son élaboration par voie liquide.

Recent scientific work has opened new fields of application to mechanical treatments such as shot blasting or peening. Indeed, it has been shown that this treatment, performed before a nitriding treatment on the surface of ferrous alloy, lowers processing temperatures and significantly increases the diffusion kinetics. We undertook to test this combination of mechanical and thermochemical treatments on stainless steels and nickel-based alloys. The mechanical treatments were done by Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT). This method is implemented in a box where metal or ceramic balls were introduced and set in motion by an ultrasound system in order to impact the surface of the pieces. The treated samples were then nitrided at low temperature by using a remote plasma. The comparison of the results obtained after nitriding treatments on mechanically treated samples and those not mechanically treated allows quantifying the effects of the combined treatments. Analyses by X-ray diffraction, microhardness measurement, observations by optical and scanning and transmission electron microscopy, texture analysis by EBSD (Electron Diffraction BackScatered) and measurement of nitrogen concentration profiles by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) show the importance of the nature of the deformed layer; Des travaux scientifiques récents ont ouvert de nouveaux champs d’application aux traitements mécaniques tels que le grenaillage. Il a été montré que de tels traitements, réalisés avant un traitement de nitruration à la surface d’alliage ferreux, permettaient d’abaisser les températures de traitement et d’augmenter significativement les cinétiques de diffusion. Nous avons entrepris de tester les performances de cette combinaison de traitements mécanique et thermochimique sur des aciers inoxydables et des alliages à base nickel austénitiques. Des essais ont été réalisés à partir d’une technique de grenaillage mécanique appelée « Surface Mechanical Attrition Treatment » (SMAT). Des billes en métal ou en céramique sont introduites dans l’enceinte et mises en mouvement par la sonotrode. Les billes percutent et introduisent donc une déformation plastique à la surface des échantillons. Après cette étape, les échantillons subissent un traitement thermochimique de nitruration assisté plasma. La comparaison des résultats obtenus après nitruration sur des échantillons traités mécaniquement avec ceux n’ayant pas été pré-traités mécaniquement a permis de quantifier les effets des traitements combinés. Les analyses par diffraction des rayons X, les mesures de microdureté, les observations au microscope optique/électronique à balayage/électronique en transmission, les analyses de texture par EBSD (Electron BackScatered Diffraction) et la mesure des profils de concentration en azote par SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) et SDL (Spectroscopie à Décharge Luminescente) ont montré l’importance de la nature de la couche transformée mécaniquement sur la diffusion de l’azote

Recent scientific work has opened new fields of application to mechanical treatments such as shot blasting or peening. Indeed, it has been shown that this treatment, performed before a nitriding treatment on the surface of ferrous alloy, lowers processing temperatures and significantly increases the diffusion kinetics. We undertook to test this combination of mechanical and thermochemical treatments on stainless steels and nickel-based alloys. The mechanical treatments were done by Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT). This method is implemented in a box where metal or ceramic balls were introduced and set in motion by an ultrasound system in order to impact the surface of the pieces. The treated samples were then nitrided at low temperature by using a remote plasma. The comparison of the results obtained after nitriding treatments on mechanically treated samples and those not mechanically treated allows quantifying the effects of the combined treatments. Analyses by X-ray diffraction, microhardness measurement, observations by optical and scanning and transmission electron microscopy, texture analysis by EBSD (Electron Diffraction BackScatered) and measurement of nitrogen concentration profiles by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) show the importance of the nature of the deformed layer, Des travaux scientifiques récents ont ouvert de nouveaux champs d’application aux traitements mécaniques tels que le grenaillage. Il a été montré que de tels traitements, réalisés avant un traitement de nitruration à la surface d’alliage ferreux, permettaient d’abaisser les températures de traitement et d’augmenter significativement les cinétiques de diffusion. Nous avons entrepris de tester les performances de cette combinaison de traitements mécanique et thermochimique sur des aciers inoxydables et des alliages à base nickel austénitiques. Des essais ont été réalisés à partir d’une technique de grenaillage mécanique appelée « Surface Mechanical Attrition Treatment » (SMAT). Des billes en métal ou en céramique sont introduites dans l’enceinte et mises en mouvement par la sonotrode. Les billes percutent et introduisent donc une déformation plastique à la surface des échantillons. Après cette étape, les échantillons subissent un traitement thermochimique de nitruration assisté plasma. La comparaison des résultats obtenus après nitruration sur des échantillons traités mécaniquement avec ceux n’ayant pas été pré-traités mécaniquement a permis de quantifier les effets des traitements combinés. Les analyses par diffraction des rayons X, les mesures de microdureté, les observations au microscope optique/électronique à balayage/électronique en transmission, les analyses de texture par EBSD (Electron BackScatered Diffraction) et la mesure des profils de concentration en azote par SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) et SDL (Spectroscopie à Décharge Luminescente) ont montré l’importance de la nature de la couche transformée mécaniquement sur la diffusion de l’azote

Different aspects of thermochemical treatments (nitriding, carburizing and nitrocarburizing) of austenitic stainless steel AISI 316 L conducted at low temperature were discussed. In the first chapter, a state of the art of these thermochemical treatments, as well as techniques used to achieve them have been presented. The nitriding and carburizing treatments, performed in a plasma reactor assisted by microwave in the Matrix Distributed Electron Cyclotron Resonance configuration, were studied in chapter 3. Analysis of the treated layers was performed by different experimental techniques: optical microscopy, profilometry, X-ray diffraction, Secondary Neutral Mass Spectroscopy, Secondary Ion Mass Spectrometry and glow discharge spectroscopy. In the fourth chapter, the nitrocarburizing treatment was studied and compared to sequenced carburization / nitriding and nitriding / carburizing treatments. A strong correlation was made between the average concentration of interstitial elements and the average compressive residual stress in the treated layers. The final chapter deals with the surface texturation or patterning to the nanometer or micrometer scale. To achieve this patterning, the deformation properties of the expanded austenite, formed during a nitriding treatment at low temperature, are used to construct a two dimensional array of dots, using grids or metallic tissues playing the role of masks to transfer a pattern on a piece of austenitic stainless steel; Différents aspects des traitements thermochimiques (nitruration, carburation et nitrocarburation) de l'acier inoxydable austénitique AISI 316 L menés à basse température ont été abordés. Dans le premier chapitre, un état de l'art de ces traitements thermochimiques, ainsi que des techniques mises en oeuvre pour les réaliser ont été présentés. Les traitements de nitruration et de carburation, réalisés dans un réacteur de plasma micro-ondes, dans la configuration Matrice à Résonance Cyclotronique Électronique Distribuée, ont été étudiés dans le chapitre 3. L'analyse des couches traitées a été effectuée par différentes technique expérimentales : microscope optique, profilométrie, diffraction des rayons X, spectrométrie de masse des neutres secondaires, spectrométrie de masse d'ions secondaires et spectroscopie à décharge luminescente. Dans le quatrième chapitre, le traitement de nitrocarburation a été étudié et comparé à des traitements séquencés carburation / nitruration et nitruration / carburation. Une corrélation très forte a été effectuée entre la concentration moyenne en éléments interstitiels et la contrainte résiduelle de compression moyenne dans les couches traitées. Le dernier chapitre traite de la texturation ou structuration de surface à l'échelle micrométrique ou nanométrique. Pour réaliser cette structuration de surface, les propriétés de déformation de l'austénite expansée, formée lors d'un traitement de nitruration à basse température, sont exploitées pour construire un réseau bidimensionnel de plots, à l'aide de grilles ou des tissus métalliques jouant le rôle de masques pour transférer un motif sur une pièce en acier inoxydable austénitique

Different aspects of thermochemical treatments (nitriding, carburizing and nitrocarburizing) of austenitic stainless steel AISI 316 L conducted at low temperature were discussed. In the first chapter, a state of the art of these thermochemical treatments, as well as techniques used to achieve them have been presented. The nitriding and carburizing treatments, performed in a plasma reactor assisted by microwave in the Matrix Distributed Electron Cyclotron Resonance configuration, were studied in chapter 3. Analysis of the treated layers was performed by different experimental techniques: optical microscopy, profilometry, X-ray diffraction, Secondary Neutral Mass Spectroscopy, Secondary Ion Mass Spectrometry and glow discharge spectroscopy. In the fourth chapter, the nitrocarburizing treatment was studied and compared to sequenced carburization / nitriding and nitriding / carburizing treatments. A strong correlation was made between the average concentration of interstitial elements and the average compressive residual stress in the treated layers. The final chapter deals with the surface texturation or patterning to the nanometer or micrometer scale. To achieve this patterning, the deformation properties of the expanded austenite, formed during a nitriding treatment at low temperature, are used to construct a two dimensional array of dots, using grids or metallic tissues playing the role of masks to transfer a pattern on a piece of austenitic stainless steel, Différents aspects des traitements thermochimiques (nitruration, carburation et nitrocarburation) de l'acier inoxydable austénitique AISI 316 L menés à basse température ont été abordés. Dans le premier chapitre, un état de l'art de ces traitements thermochimiques, ainsi que des techniques mises en oeuvre pour les réaliser ont été présentés. Les traitements de nitruration et de carburation, réalisés dans un réacteur de plasma micro-ondes, dans la configuration Matrice à Résonance Cyclotronique Électronique Distribuée, ont été étudiés dans le chapitre 3. L'analyse des couches traitées a été effectuée par différentes technique expérimentales : microscope optique, profilométrie, diffraction des rayons X, spectrométrie de masse des neutres secondaires, spectrométrie de masse d'ions secondaires et spectroscopie à décharge luminescente. Dans le quatrième chapitre, le traitement de nitrocarburation a été étudié et comparé à des traitements séquencés carburation / nitruration et nitruration / carburation. Une corrélation très forte a été effectuée entre la concentration moyenne en éléments interstitiels et la contrainte résiduelle de compression moyenne dans les couches traitées. Le dernier chapitre traite de la texturation ou structuration de surface à l'échelle micrométrique ou nanométrique. Pour réaliser cette structuration de surface, les propriétés de déformation de l'austénite expansée, formée lors d'un traitement de nitruration à basse température, sont exploitées pour construire un réseau bidimensionnel de plots, à l'aide de grilles ou des tissus métalliques jouant le rôle de masques pour transférer un motif sur une pièce en acier inoxydable austénitique

The present study concerns the surface and mechanical properties induced by specific low temperature (~400°C) plasma nitriding of an AISI 316L austenitic stainless steel largely used for structural component in nuclear and chemical industries. It focuses especially on its influence on the fatigue durability. The great advantages of this plasma nitriding process are to produce thick nitrided layers with a high concentration of nitrogen atoms in solid solution into the material and to preserve the stainless character of the substrate. As a consequence a new phase named expanded austenite or γN phase is formed and the lattice expansion associated with the high supersaturation of interstitial nitrogen atoms results in residual compressive stresses at the surface that exceed 2GPa. The surface is then strongly modified as a result of complex effects including some crystallographic plane rotation, plasticity and damage in some grains depending on their orientation. The considerable increase of hardness and wear resistance produced by plasma nitriding of austenitic stainless steels is now well documented but there are practically no data on the influence on fatigue properties. Series of fatigue tests in air at room temperature carried out in the low cycle fatigue range show a significant improvement of the fatigue life. The results are discussed especially taking into account the compressive residual stresses induced by the nitrided layer. Keywords: 316L; Les matériaux métalliques de structure tels que les aciers, les alliages base titane, les superalliages base nickel utilisés dans les domaines de l'aéronautique, de l'énergie ou encore de l'automobile doivent être capables de résister à des sollicitations mécaniques sévères notamment de type fatigue dans des environnements agressifs. L'endommagement du à la fatigue se localise généralement en surface des matériaux. Il est donc souvent impératif d'améliorer les propriétés physiques et mécaniques de leur surface pour répondre au mieux aux exigences multiples qu'imposent les conditions de leur mise en service. Dans ce contexte, le PHYMAT a développé un ensemble de dispositifs d'élaboration originaux utilisant des ions de basse, moyenne ou haute énergie ainsi que des plasmas qui permettent de modifier les propriétés de surface des matériaux massifs ou d'élaborer des revêtements. En particulier, il a été mis au point des procédés de nitruration utilisant des ions de basse énergie : implantation-diffusion d'azote basse énergie-flux élevé et de nitruration plasma permettant d'introduire à température modérée (300-400°C) des atomes d'azote en solution solide de très fortes concentrations (20-25at%) sur des profondeurs particulièrement importantes (3-20μm). Les investigations dans le domaine de la fatigue misent en oeuvre par le LMPM ces dernières années sur des matériaux traités en surface montrent que des améliorations remarquables de durée de vie peuvent être obtenues y compris lorsque le traitement ne concerne qu'une épaisseur de l'ordre ou inférieure au micromètre. Ces résultats laissent penser que le procédé de nitruration plasma proposé permettrait alors d'améliorer les propriétés en fatigue de ces matériaux. En outre ce traitement présente le double avantage de pouvoir réaliser une nitruration des aciers inoxydables ce qui n'était pas possible auparavant et de pouvoir traiter des formes complexes non planes. Les résultats concernant la nitruration d'un acier inoxydable austénitique polycristallin de type 316L par ce procédé de nitruration plasma particulier ont permis de mettre en évidence différents phénomènes induits en surface. En particulier des effets importants de rotations cristallographiques des grains de surface ont été relevés conduisant à la création d'une texture de surface. Ces résultats ont été analysés à partir de mesures obtenues par EBSD sur de larges zones (LMPM). On montre notamment une tendance forte à la réorientation des grains vers les directions et . Ce processus s'accompagne de plasticité sous la forme de bandes de glissement et a même localement pour conséquence des phénomènes d'endommagement. Ces processus sont en grande partie dus à la dilatation des grains de surface lors de l'insertion d'azote en grande concentration pendant le traitement. L'étude des systèmes de glissement activés a permis de remonter en partie aux sollicitations mécaniques en surface dues au traitement (contrainte de compression résiduelle, dilatation normale à la surface). Il a été montré que le « gonflement » est directement lié à l'orientation cristallographique des grains (couplage EBSD - profilomètre optique interférométrique du LMS). Les expériences de diffraction des rayons X réalisées au PHYMAT ont permis de connaître plus précisément la structure de la zone nitrurée. Du coté des propriétés mécaniques, ont à pu mettre en évidence par des séries d'essais mécaniques de fatigue oligocyclique sous déformation plastique imposée (LMPM), une augmentation considérable des propriétés en fatigue (durée de vie multiplié par 3 fois sous forte déformation plastique imposée). Les nombreux essais menés au cours de l'année 2009 ont permis de montrer par leurs analyses que l'amélioration des propriétés en fatigue est directement liée aux contraintes de compression dans la couche nitrurée. Plus les contraintes de compression dans la couche sont élevées, plus la durée de vie en fatigue est importante. Ce résultat est remarquable en ce qui concerne la fatigue des aciers nitrurés. Le lien entre les modifications de la structure en surface du matériau et les conséquences sur l'amélioration en fatigue a été fait.

International audience; Des revêtements à base de nitrure de chrome réalisés par pulvérisation triode ont été testés en déroulage et défonçage du bois. L'efficacité des revêtements triode a été montrée en usinage de MDF (Medium Density Fiberboard), donc dans des conditions sévères de coupe, ainsi qu'en défonçage d'OSB (Oriented Strand Board) où un revêtement CrN de 1μm d'épaisseur permet d'usiner 9 fois plus qu'un outil non revêtu [1]. Le but de cette étude est d'examiner comment on peut améliorer la tenue à l'usure des outils de coupe dans l'opération de déroulage du MDF, en traitant la partie active de l'outil. Les modifications des surfaces actives des couteaux consistent à appliquer des films durs (CrAlN, CrSiN), qui ont déjà donné des résultats prometteurs dans l'opération de défonçage du MDF [2], l'un des facteurs limitant dont il faut nous affranchir est l'adhérence des couches déposées sur les outils de coupe. C'est pourquoi nous avons testé des traitements duplex (nitruration ionique+dépôt magnétron). Ces revêtements ont également été testés en simulant les chocs que peuvent générer les noeuds dans un billon. Les revêtements de CrAlN ont été réalisés par PVD sur un bâti dual magnétron RF alors que les couches de CrSiN ont été obtenues par l'institut FEMTO/ST de Besançon dans le cadre d'un projet de recherche. La nitruration ionique a été réalisée dans un four de traitement thermochimique BMI. Le processus d'usinage a été effectué sur une microdérouleuse instrumentée, le matériau utilisé étant du MDF (Medium Density Fiberboard).

The present study concerns the surface and mechanical properties induced by specific low temperature (~400°C) plasma nitriding of an AISI 316L austenitic stainless steel largely used for structural component in nuclear and chemical industries. It focuses especially on its influence on the fatigue durability. The great advantages of this plasma nitriding process are to produce thick nitrided layers with a high concentration of nitrogen atoms in solid solution into the material and to preserve the stainless character of the substrate. As a consequence a new phase named expanded austenite or γN phase is formed and the lattice expansion associated with the high supersaturation of interstitial nitrogen atoms results in residual compressive stresses at the surface that exceed 2GPa. The surface is then strongly modified as a result of complex effects including some crystallographic plane rotation, plasticity and damage in some grains depending on their orientation. The considerable increase of hardness and wear resistance produced by plasma nitriding of austenitic stainless steels is now well documented but there are practically no data on the influence on fatigue properties. Series of fatigue tests in air at room temperature carried out in the low cycle fatigue range show a significant improvement of the fatigue life. The results are discussed especially taking into account the compressive residual stresses induced by the nitrided layer. Keywords: 316L, Les matériaux métalliques de structure tels que les aciers, les alliages base titane, les superalliages base nickel utilisés dans les domaines de l'aéronautique, de l'énergie ou encore de l'automobile doivent être capables de résister à des sollicitations mécaniques sévères notamment de type fatigue dans des environnements agressifs. L'endommagement du à la fatigue se localise généralement en surface des matériaux. Il est donc souvent impératif d'améliorer les propriétés physiques et mécaniques de leur surface pour répondre au mieux aux exigences multiples qu'imposent les conditions de leur mise en service. Dans ce contexte, le PHYMAT a développé un ensemble de dispositifs d'élaboration originaux utilisant des ions de basse, moyenne ou haute énergie ainsi que des plasmas qui permettent de modifier les propriétés de surface des matériaux massifs ou d'élaborer des revêtements. En particulier, il a été mis au point des procédés de nitruration utilisant des ions de basse énergie : implantation-diffusion d'azote basse énergie-flux élevé et de nitruration plasma permettant d'introduire à température modérée (300-400°C) des atomes d'azote en solution solide de très fortes concentrations (20-25at%) sur des profondeurs particulièrement importantes (3-20μm). Les investigations dans le domaine de la fatigue misent en oeuvre par le LMPM ces dernières années sur des matériaux traités en surface montrent que des améliorations remarquables de durée de vie peuvent être obtenues y compris lorsque le traitement ne concerne qu'une épaisseur de l'ordre ou inférieure au micromètre. Ces résultats laissent penser que le procédé de nitruration plasma proposé permettrait alors d'améliorer les propriétés en fatigue de ces matériaux. En outre ce traitement présente le double avantage de pouvoir réaliser une nitruration des aciers inoxydables ce qui n'était pas possible auparavant et de pouvoir traiter des formes complexes non planes. Les résultats concernant la nitruration d'un acier inoxydable austénitique polycristallin de type 316L par ce procédé de nitruration plasma particulier ont permis de mettre en évidence différents phénomènes induits en surface. En particulier des effets importants de rotations cristallographiques des grains de surface ont été relevés conduisant à la création d'une texture de surface. Ces résultats ont été analysés à partir de mesures obtenues par EBSD sur de larges zones (LMPM). On montre notamment une tendance forte à la réorientation des grains vers les directions et . Ce processus s'accompagne de plasticité sous la forme de bandes de glissement et a même localement pour conséquence des phénomènes d'endommagement. Ces processus sont en grande partie dus à la dilatation des grains de surface lors de l'insertion d'azote en grande concentration pendant le traitement. L'étude des systèmes de glissement activés a permis de remonter en partie aux sollicitations mécaniques en surface dues au traitement (contrainte de compression résiduelle, dilatation normale à la surface). Il a été montré que le « gonflement » est directement lié à l'orientation cristallographique des grains (couplage EBSD - profilomètre optique interférométrique du LMS). Les expériences de diffraction des rayons X réalisées au PHYMAT ont permis de connaître plus précisément la structure de la zone nitrurée. Du coté des propriétés mécaniques, ont à pu mettre en évidence par des séries d'essais mécaniques de fatigue oligocyclique sous déformation plastique imposée (LMPM), une augmentation considérable des propriétés en fatigue (durée de vie multiplié par 3 fois sous forte déformation plastique imposée). Les nombreux essais menés au cours de l'année 2009 ont permis de montrer par leurs analyses que l'amélioration des propriétés en fatigue est directement liée aux contraintes de compression dans la couche nitrurée. Plus les contraintes de compression dans la couche sont élevées, plus la durée de vie en fatigue est importante. Ce résultat est remarquable en ce qui concerne la fatigue des aciers nitrurés. Le lien entre les modifications de la structure en surface du matériau et les conséquences sur l'amélioration en fatigue a été fait.

International audience; Cette étude présente les capacités d’une modélisation de la nitruration, procédé thermochimique destiné à améliorer la tenue en service des pièces mécaniques. La formation d’un gradient de microstructure accompagne d’une variation de volume génère un gradient de contraintes résiduelles. Le mode le se base sur une étape de diffusion/précipitation décrivant les évolutions thermochimiques lors du traitement. Une description micromécanique multi-échelles permet de déterminer la distribution des contraintes résiduelles accompagnant le gradient de microstructure via la formation de nitrures. Les simulations sont confrontées à des analyses de contraintes par diffraction des rayons X.

Nitrogen ion-implantation into aluminium is known to improve some of its superficial properties, and so, can be applied as a powerful surface treatment for aluminium alloys. These investigations were achieved as a continuation of a recent development of this technology. It consists in using particles microaccelerator which allows multicharged ion-implantation. The aim of the study was first to obtain the correct treatment parameters which provides the best results for corrosion and wear tests. A microstructural analysis was performed in order to understand implantation-induced enhancement mechanisms. Among others results, we have demonstrated the necessity to form a mix of oxidized and nitrided layer to achieve a significant improvement of superficial stress resistance. Hardening mechanisms were also investigated and have revealed the presence of a Hall-Petch driven strain-hardening mechanism. Mechanical characterisations were also carried out on implanted samples. Despite a very thin irradiated layer, some effects could be perceived by the volume sample such as changes in the elastic behaviour and fracture mode., L'implantation ionique d'azote dans l'aluminium a pour conséquence d'améliorer certaines de ses propriétés superficielles et peut donc entre autre être utilisée comme traitement de surface pour les alliages d'aluminium. Cette étude fait suite au développement d'une nouvelle technologie d'implantation basée sur l'utilisation de microaccélérateurs de particules qui permettent l'implantation d'ions multichargés (jusqu'à N4+). L'objectif de la thèse a été dans un premier temps de cibler les paramètres d'implantation permettant d'obtenir les meilleurs résultats, notamment lors de tests de corrosion et d'usure. Une analyse microstructurale a été menée afin de comprendre les mécanismes rentrant en jeu dans le renforcement des surfaces implantées. On a ainsi, pu mettre en évidence la nécessité d'une interpénétration des couches nitrurées et oxydées pour une amélioration significative de la résistance aux sollicitations superficielles. Les mécanismes de durcissement ont également été étudiés ce qui a permis de mettre à jour un durcissement par écrouissage régi par effet Hall-Petch apparaissant lors de l'implantation. Une étude du comportement mécanique d'éprouvettes implantées a montré que malgré les faibles épaisseurs d'implantations (~0,5 µm) des effets pouvaient se faire sentir sur tout le volume des éprouvettes. Le comportement élastique ainsi que le mode d'endommagement de ces pièces ont en effet été modifiés après implantation.

Residual stresses of nitrided steels find origins through volumetric misfit accompanying the precipitation during the treatment. A residual stress gradient is generated from the primary gradient of chemical composition and the resulting gradient of microstructure. It is also the consequence of macroscopic strain incompatibilities. Volumetric strains versus the depth of nitriding are linked to thermodynamical modifications during the treatment of carbon iron-based alloys. Decarburization relaxes close surface residual stresses. The global decrease of residual stresses during nitriding is the consequence of the transformation of initial carbides into nitrides and the resulting diffusion of carbon toward the core material. A model of nitriding is proposed based on the diffusion of nitrogen and carbon, and on precipitation calculus using Thermo-Calc software. A volumetric strain calculation is proposed in agreements with thermodynamical and mechanical assumptions. Macroscopic residual stresses as well as the stresses over the ferritic matrix are computed using a scale transition model based on a self-consistent scheme. The transformation kinetic of carbides into nitrides coupled with the diffusion kinetic of nitrogen is showed to be the main feature of stress relaxation during nitriding. The model is applied successfully on a Fe-3%Cr-O,354%C laboratory steel grade and on the 33CrMoV12-9 grade. A better description of nitriding is finally proposed with some resulting conclusions on the role played by alloying elements., Les contraintes résiduelles de nitruration ont pour origine les incompatibilités de déformations volumiques issues de la précipitation au cours du traitement. Le gradient de contraintes résiduelles résulte des gradients de composition chimique et de microstructure, ainsi que des incompatibilités de déformations macroscopiques. L'évolution du gradient de déformations volumiques en fonction de la profondeur et du temps de traitement est directement reliée, dans le cas des aciers, aux évolutions thermochimiques. La relaxation des contraintes en proche surface est la conséquence d'une décarburation superficielle. La diminution globale des contraintes au cours du traitement résulte de la transformation des carbures de revenu et de la diffusion du carbone en fonction de la profondeur. Une simulation du traitement de nitruration est développée à partir de la diffusion d'azote et de carbone à l'équilibre thermodynamique calculé grâce au logiciel Thermo-Calc. Un calcul de la variation de volume accompagnant la précipitation est proposé en tenant compte des hypothèses thermodynamiques et mécaniques. Les contraintes résiduelles de la matrice et macroscopiques sont déterminées au travers d'un modèle micromécanique de transition d'échelle de type auto-cohérent. Ce modèle confirme le rôle des cinétiques de transformations de phases, fonction des cinétiques de diffusion, sur l'évolution des contraintes résiduelles au cours du traitement. Ce modèle est appliqué aux nuances synthétiques Fe-3%Cr-0,354%C et industrielles 33CrMoV12-9. Une description détaillée du traitement de nitruration est finalement proposée. Elle aboutit à une meilleure compréhension de l'influence des éléments d'addition sur l'évolution des contraintes résiduelles.

L'utilisation de couches minces photocatalytiques à base de TiO2 est restreinte aux applications en extérieur ou sous lumière artificielle. En effet, ces systèmes nécessitent des UV pour être actif. Pour s'affranchir de ce point, plusieurs axes de travail ont été étudiés. Le premier consiste à utiliser un matériau différent de TiO2, absorbant dans le visible et ayant une activité significative. Nous avons pour cela développé un procédé de broyage original permettant d'étudier des poudres synthétisées sous forme micronique, dans des conditions semblables aux systèmes de référence. Une autre voie est de doper TiO2 avec de l'azote, de façon à modifier son spectre d'absorption dans le visible. Pour cela, nous avons mis au point un protocole permettant d'une part de nitrurer des nanoparticules à haute température (jusqu'à 900 °C) en conservant leur taille, ou d'autre part de nitrurer directement les couches à base de TiO2. Nous avons étudié les espèces apparues lors de la nitruration, leur impact sur l'activité des systèmes photocatalytiques à 390 nm. Nous avons alors pu mettre au point des couches 20 fois plus actives que les films de référence à cette longueur d'onde. Le dernier axe abordé consiste à associer TiO2 à un matériau absorbant dans le visible, et capable de transférer son excitation dans TiO2 : WO3. Ceci a nécessité l'étude des transferts électroniques entre les deux matériaux, par le biais d'une technique originale de voltamétrie. Nous avons alors pu utiliser ces mesures pour prédire les activités photocatalytiques. Cette méthode pourra être utilisée pour étudier d'autres hétérostructures, pouvant se montrer beaucoup plus actives.

Residual stresses of nitrided steels find origins through volumetric misfit accompanying the precipitation during the treatment. A residual stress gradient is generated from the primary gradient of chemical composition and the resulting gradient of microstructure. It is also the consequence of macroscopic strain incompatibilities. Volumetric strains versus the depth of nitriding are linked to thermodynamical modifications during the treatment of carbon iron-based alloys. Decarburization relaxes close surface residual stresses. The global decrease of residual stresses during nitriding is the consequence of the transformation of initial carbides into nitrides and the resulting diffusion of carbon toward the core material. A model of nitriding is proposed based on the diffusion of nitrogen and carbon, and on precipitation calculus using Thermo-Calc software. A volumetric strain calculation is proposed in agreements with thermodynamical and mechanical assumptions. Macroscopic residual stresses as well as the stresses over the ferritic matrix are computed using a scale transition model based on a self-consistent scheme. The transformation kinetic of carbides into nitrides coupled with the diffusion kinetic of nitrogen is showed to be the main feature of stress relaxation during nitriding. The model is applied successfully on a Fe-3%Cr-O,354%C laboratory steel grade and on the 33CrMoV12-9 grade. A better description of nitriding is finally proposed with some resulting conclusions on the role played by alloying elements., Les contraintes résiduelles de nitruration ont pour origine les incompatibilités de déformations volumiques issues de la précipitation au cours du traitement. Le gradient de contraintes résiduelles résulte des gradients de composition chimique et de microstructure, ainsi que des incompatibilités de déformations macroscopiques. L'évolution du gradient de déformations volumiques en fonction de la profondeur et du temps de traitement est directement reliée, dans le cas des aciers, aux évolutions thermochimiques. La relaxation des contraintes en proche surface est la conséquence d'une décarburation superficielle. La diminution globale des contraintes au cours du traitement résulte de la transformation des carbures de revenu et de la diffusion du carbone en fonction de la profondeur. Une simulation du traitement de nitruration est développée à partir de la diffusion d'azote et de carbone à l'équilibre thermodynamique calculé grâce au logiciel Thermo-Calc. Un calcul de la variation de volume accompagnant la précipitation est proposé en tenant compte des hypothèses thermodynamiques et mécaniques. Les contraintes résiduelles de la matrice et macroscopiques sont déterminées au travers d'un modèle micromécanique de transition d'échelle de type auto-cohérent. Ce modèle confirme le rôle des cinétiques de transformations de phases, fonction des cinétiques de diffusion, sur l'évolution des contraintes résiduelles au cours du traitement. Ce modèle est appliqué aux nuances synthétiques Fe-3%Cr-0,354%C et industrielles 33CrMoV12-9. Une description détaillée du traitement de nitruration est finalement proposée. Elle aboutit à une meilleure compréhension de l'influence des éléments d'addition sur l'évolution des contraintes résiduelles.