Soutenance de thèse de Glwadys GARCIN

Elaboration de revêtements composites par cold spray et étude de leurs propriétés tribologiques

Résumé de la thèse en français

Un des avantages du procédé de projection dynamique par gaz froid (cold spray) est qu'il permet de considérer la réalisation de revêtements composites avec tout type de matériaux, polymères inclus, étant données les faibles températures utilisées. Ce procédé a ainsi été utilisé dans cette étude afin d'élaborer des revêtements composites à fonction tribologique, à base métallique ou polymère, possédant en particulier une bonne résistance à l'usure et au grippage, dans le but de remplacer une pièce de moteur thermique. La projection de composites par cold spray induit de nombreuses problématiques liées aux mécanismes d'adhésion qui diffèrent d'une poudre à l'autre et aux interfaces complexes générées. L'un des objectifs scientifiques majeurs a ainsi été de déterminer l'influence de la nature et des caractéristiques des poudres sur la microstructure des revêtements obtenus par cold spray, et en particulier sur les interfaces entre les particules et le substrat, ainsi que sur les propriétés tribologiques qui en découlent. Pour cela, l'influence des caractéristiques des poudres (en termes de morphologie, granulométrie, microstructure, composition chimique,…) quant à la qualité du dépôt obtenu a été étudiée, de même que les mécanismes de dépôt des polymères, encore mal connus. L'influence de l'ajout de diverses natures et morphologies de particules dures et de lubrifiants solides sur la microstructure du revêtement obtenue et donc sur ses propriétés tribologiques a de plus été étudiée. L'adhérence des revêtements a été mesurée et les propriétés tribologiques déterminées via des essais couronne/disque afin de classifier les revêtements élaborés et d'optimiser la composition du revêtement pour obtenir les propriétés recherchées. Outre les analyses expérimentales permettant d'établir les relations entre les paramètres d'entrée (liés aux poudres et au procédé) et les propriétés tribologiques, des simulations numériques ont également été menées afin d'aider à la compréhension de certains phénomènes comme les délaminations pouvant survenir au moment du refroidissement de revêtements polymères, ou encore la plus faible adhésion des particules projetées avec un angle de projection de 50° ou 60°. Cette thèse propose ainsi une démarche généralisable pour l'optimisation de revêtements composites à fonction tribologique obtenus par cold spray.

Résumé de la thèse en anglais

One of the numerous advantages of cold gas dynamic spray (cold spray) is the ability of producing composite coatings with all types of materials, including polymers, due to the low temperatures used. This process has been used in this study in order to produce metal-based or polymer-based composite coatings providing high wear and seizure resistance, in order to replace a high loaded engine part. Composite coatings cold spraying induces lots of issues linked to the different adhesion mechanisms of the powders used and the complex interfaces generated. One of the main scientific objectives was then to identify the influence of powders natures and characteristics on the obtained cold spray coatings microstructures, and particularly on the interfaces produced between particles and with the substrate, as well as with the tribological properties obtained. To this end, the influence of powders characteristics (morphology, particle size, microstructure, chemical composition,…) on the microstructure of the coating obtained and the adhesion mechanisms of polymers, not yet well understood, have been studied. The influence of the addition of several ceramic morphologies and solid lubricant natures on the coating microstructure and its tribological properties has also been studied. The adhesion of coatings has been measured and the tribological properties have been determined by mean of ring-on-disc tests in order to classify produced coatings and optimize their composition to reach the needed properties. In addition to the experimental study which enabled to link powders and process parameters to tribological properties, numerical simulations have been realised to help the understanding of some phenomena such as delaminations appearing in some cases at cooling, or the reduction of particles adhesion for smaller spray angles (50° or 60°). Thus, this thesis proposes a generalizable approach for the optimisation of tribological function cold spray composite coatings.

Date de soutenance : vendredi 22 avril 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Ecole des Mines de Paris 60 Bd Saint-Michel 75272 Paris – L213
Directeur de thèse : Jean-François HOCHEPIED
Codirecteur : Michel JEANDIN
Co-encadrant : Francesco DELLORO

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