Caractérisation mécanique des interfaces traitées par laser pour une meilleure tenue en service des systèmes

Mechanical characterization of laser-treated interfaces for improved durability of systems

• Auteur / Autrice : Timothé Ferrasse
• Direction : Eric Bourillot, Sophie Costil
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)

Mots clés

Mots clés libres

Texturation laser

Traitements de surface

Contraintes

Durabilité

Microscope micro-ondes à balayage

Laser texturing

Surface treatment

Stress

Durablity

Scanning Microwave Microscopy

Résumé

Pour prolonger la durée de vie des pièces de structure et réduire les impacts environnementaux, divers traitements de surface, notamment les traitements par voie sèche, ont été développés. Ces traitements offrent des avantages techniques et économiques, mais posent encore des questions sur les transformations chimiques et mécaniques qu'ils engendrent. La projection thermique est un exemple de traitement prometteur pour créer des revêtements protecteurs contre la corrosion, la température et l'usure, avec des rendements élevés et la possibilité de traiter de grandes pièces. Bien que cette méthode soit largement utilisée, il est crucial de continuer à maîtriser et à améliorer les procédés et les matériaux. Ainsi, des techniques hybrides, combinant différentes technologies comme les lasers et les torches de projection, émergent pour surmonter certaines limitations des procédés individuels. La technologie laser, appréciée pour sa précision et son automatisation, est utilisée dans divers domaines et peut induire des effets photochimiques, mécaniques ou thermiques dans les matériaux, ouvrant ainsi plusieurs applications potentielles. Cependant, des questions persistent sur les transformations chimiques et mécaniques des surfaces après traitement. Par exemple, la projection plasma, qui implique la pulvérisation à haute vitesse et température de particules fondues, peut créer des interfaces déformées et modifier la microstructure et les propriétés mécaniques des matériaux. L'enchaînement de traitements laser et plasma peut entraîner des évolutions complexes des surfaces, tant au niveau microstructural que thermochimique. Comprendre cet historique de traitement est crucial pour évaluer la durabilité des composants, ce qui représente le défi scientifique principal de cette étude. C'est sur la base de tels effets, qu'il devient nécessaire alors de pouvoir contrôler et maîtriser les phénomènes physico-chimiques sous-jacents imposés aux matériaux lors de leur mise en œuvre. Fort des outils de caractérisation largement reconnus aujourd'hui (diffraction des rayons X (DRX), synchrotron, Analyse Mécanique Dynamique (DMA), etc.) ainsi que des nouveaux développements (Microscopie Micro-ondes à Balayage (SMM), etc.), une meilleure connaissance des états de santé des matériaux devient alors accessible tant d'un point de vue structural que mécanique. A l'échelle plus globale du système (revêtement + substrat), des essais de fatigue se doivent aussi d'être envisagés afin de caractériser la durabilité du nouveau couple de matériaux (avec texturation morphologique du substrat avant revêtement). De telles connaissances apparaissent alors fondamentales afin de pouvoir anticiper les propriétés de ces nouveaux matériaux (multicouches) et contrôler leur tenue en service. L'objectif scientifique de ce projet consiste donc à caractériser finement l'état structural et mécanique des matériaux après traitement laser et après élaboration du revêtement en particulier à l'interface substrat-dépôt de façon à pouvoir anticiper la tenue finale du couple. Pour ce faire, de nombreuses techniques d'analyses peuvent être employées avec des niveaux de résolution variables afin de pouvoir analyser plus ou moins finement les caractéristiques tant structurales que mécaniques. Ainsi, une description précise de la nano-structuration pourra être abordée. Enfin, les propriétés finales des pièces en particulier d'un point de vue comportement en fatigue seront abordées dès lors que les matériaux considérés présentent un fort intérêt industriel. Il est démontré en effet que les propriétés des matériaux tant d'un point de vue structural que mécanique influencent considérablement la tenue en fatigue des structures et ce d'autant plus que l'interface présente une morphologie atypique.

To extend the lifespan of structural components and reduce environmental impacts, various surface treatments, particularly dry treatments, have been developed. These treatments offer technical and economic advantages but still raise questions about the chemical and mechanical transformations they induce. Thermal spraying is a promising example of a treatment for creating protective coatings against corrosion, temperature, and wear, with high efficiency and the ability to handle large parts. Although this method is widely used, it is crucial to continue mastering and improving processes and materials. Consequently, hybrid techniques, combining different technologies such as lasers and spray torches, are emerging to overcome certain limitations of individual processes. Laser technology, valued for its precision and automation, is used in various fields and can induce photo-chemical, mechanical, or thermal effects in materials, leading to several potential applications. However, questions remain about the chemical and mechanical transformations of surfaces after treatment. For example, plasma spraying, which involves high-speed and high-temperature spraying of molten particles, can create deformed interfaces and alter the microstructure and mechanical properties of materials. The combination of laser and plasma treatments can lead to complex surface changes, both microstructural and thermo-chemical. Understanding this treatment history is crucial for assessing the durability of components, which represents the main scientific challenge of this study. Based on such effects, it becomes necessary to control and master the underlying physicochemical phenomena imposed on materials during their processing. With widely recognized characterization tools today (X-ray diffraction (XRD), synchrotron, Dynamic Mechanical Analysis (DMA), etc.) and new developments (Scanning Microwave Microscopy (SMM), etc.), a better understanding of the health status of materials is becoming accessible from both structural and mechanical perspectives. On a broader system scale (coating + substrate), fatigue tests should also be considered to characterize the durability of the new material pair (with morphological texturing of the substrate before coating). Such knowledge is fundamental for anticipating the properties of these new materials (multilayers) and controlling their service performance. The scientific objective of this project is therefore to finely characterize the structural and mechanical state of materials after laser treatment and after the coating is applied, particularly at the substrate-coating interface, in order to anticipate the final performance of the pair. To achieve this, various analytical techniques with varying resolution levels can be employed to analyze the structural and mechanical characteristics. Thus, a precise description of the nano-structuring can be addressed. Finally, the final properties of the parts, particularly from a fatigue behavior perspective, will be examined, given that the materials in question have significant industrial interest. It is demonstrated that the properties of materials, both structurally and mechanically, significantly influence the fatigue resistance of structures, especially when the interface has an atypical morphology.