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Theses Year : 2016

Influence of microstructure on thermomechanical damage mechanisms in cold-sprayed 316L-matrix composite coatings

Influence de la microstructure sur les mécanismes d'endommagement thermomécanique de revêtements à base d'acier inoxydable AISI 316L réalisés par projection dynamique par gaz froid "cold spray"

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Abstract

Aluminum alloys are commonly used in the automotive industry for lightening and power gain of thermal engines. However, thermomechanical properties are not often high enough to undergo the in-service stresses while the engine is running. High performance materials are needed. A novel approach to reach these high performances is to develop specific coatings using the cold spray route. This thermal spray process is based on the plastic deformation of sprayed powders at a supersonic velocity onto a substrate resulting in so called « splats » and stick to the surface. In this thesis, thermomechanical damage of cold-sprayed 316L-matrix composite coatings are studied. Prior to the study of composites, the elaboration steps of 316L in the cold spray coatings are established. Powder and coatings are studied to determine the influence of the cold spray process. Microstructural analyse involved optical microscopy, SEM, chemical analysis EDX and image analysis. Cristallographic analyse were performed by EBSD and DRX. Interfaces between splats are specifically studies by TEM. These consist of a crucial actor in the cohesion of coatings. Then, softer powder of Cu and harder powder of Ni700 are mixed with 316L and cold sprayed to build composite coatings. Their influence on the microstructure through the creation of new interfaces is observed. Last but not least, mechanical properties of the different coatings are compared. Hardness and tensile tests are used for quasi-static loading characterization whereas impact-sliding tests are used for dynamic loading characterization. Results and the local observation of the microstructural response to these macroscopic loadings give an insight into major damage mechanisms of cold sprayed composite coatings.
Le domaine automobile utilise des alliages légers d’aluminium dans la fabrication des pièces volumineuses du moteur thermique afin d’améliorer son rendement énergétique. Cependant, leurs propriétés sont insuffisantes pour pouvoir faire face aux contraintes thermomécaniques du moteur en service qui requièrent des matériaux à haute performance. Une solution innovante est l’application d’un revêtement par projection par gaz froid dite « cold spray » à base d’acier inoxydable AISI 316L aux dimensions et aux propriétés adaptées aux sollicitations locales. Ce procédé repose sur la projection à haute vitesse de particules de poudre sur un substrat, qui, déformées en « splats » à l’impact, adhérent pour créer un revêtement. Cette étude a pour ambition de comprendre les mécanismes d’endommagement thermomécanique de revêtements cold spray composites à base de 316L. Pour cela, les étapes de l’élaboration des revêtements, les paramètres de projection et les poudres de l’étude sont détaillés. Des revêtements de 316L pur sont réalisés ainsi que des analyses microstructurales par microscopie optique, MEB, chimiques par EDX et cristallographiques par EBSD et DRX, afin d’étudier l’influence du procédé cold spray sur la poudre initiale. Les interfaces entre les splats, constituants majeurs dans la cohésion des revêtements, sont étudiées en détail au MET. Puis, des éléments d’addition moins durs de cuivre et plus durs d’alliage de nickel Tribaloy 700 (Ni700), sont incorporés dans les mélanges de poudres avec l’acier afin de créer des revêtements composites. La modification de la microstructure et de la qualité des interfaces par la création de matériaux composites est alors abordée. Enfin, ces matériaux sont éprouvés et comparés grâce à des essais quasi statiques de dureté et de traction, et dynamiques d’impact-glissement. Les résultats et les observations locales de la réponse de la microstructure à ces sollicitations macroscopiques permettront d’envisager les mécanismes d’endommagement de ces revêtements cold spray.
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tel-01561419 , version 1 (12-07-2017)

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Cite

Raphaël Maestracci. Influence de la microstructure sur les mécanismes d'endommagement thermomécanique de revêtements à base d'acier inoxydable AISI 316L réalisés par projection dynamique par gaz froid "cold spray". Matériaux. Université Paris sciences et lettres, 2016. Français. ⟨NNT : 2016PSLEM017⟩. ⟨tel-01561419⟩
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