Les alliages de Ti sont utilisés dans les domaines aérospatiaux et automobiles en raison de leur haute force spécifique et leur résistance à la corrosion. Cependant, la production de grandes quantités grâce aux méthodes traditionnelles engendre des coûts élevés. Pour réduire ces coûts, la technique de pulvérisation à froid est considérée comme viable et économique pour la fabrication additive ou pour la réparation de composantes. Le dépôt de revêtement à l’aide de la technique de pulvérisation à froid est le résultat d’un impact, à vitesse supersonique, de particules de poudre à l’état solide. La température durant le processus demeure sous le point de fusion du matériau poudreux, ce qui empêche le changement de phase et l’oxydation. Malgré une haute efficacité de dépôt, les revêtements de Ti6Al4V produits à l’aide de la technique de pulvérisation à froid avec l’azote agissant comme gaz de propulsion sont généralement poreux.La présente thèse traite de l’influence des propriétés des poudres métalliques sur le dépôt par pulvérisation à froid, des propriétés des revêtements et la tribologie des revêtements de Ti6Al4V. Les revêtements ont été déposés en utilisant différentes poudres et ont été caractérisés en déterminant leur porosité, leur microstructure, leur dureté et leur puissance de cohésion par essais mécaniques et par microscopie. Pour les mêmes conditions de dépôt, les revêtements produits avec une poudre de morphologie irrégulière (IP) ayant une microstructure équiaxe ont un dépôt plus dense avec une puissance de cohésion supérieure au résultat obtenu avec la poudre avec une morphologie sphérique (SP) et une microstructure martensitique. De plus, les particules IP ont une puissance d’adhésion supérieure et une microstructure plus affinée lorsqu’elles ont une morphologie initiale irrégulière, comparées à celles déposées avec la poudre SP. Malgré les propriétés mécaniques et la densité supérieure des revêtements IP de Ti6Al4V, en termes de performance tribologique, les revêtements poreux des revêtements SP présentaient un taux d’usure inférieur. Ceci est dû aux débris d’usure qui deviennent coincés dans les pores des revêtements SP, diminuant ainsi le labourage abrasif, ce qui réduit le taux d’usure à son tour.Pour améliorer les propriétés tribologiques des revêtements de Ti6Al4V, une poudre de TiC a été simultanément alimentée durant le processus de pulvérisation à froid, produisant ainsi un composite à matrice métallique Ti6Al4V-TiC (MMC). Les essais d’usure ont démontré que la tribologie des MMC était significativement influencée par la fraction de volume de céramique ainsi que par les propriétés des revêtements, la force normale et la température ambiante. Pour une fraction de volume de céramique similaire, les revêtements MMC déposés avec une poudre IP avaient un taux d’usure moindre que ceux déposés avec une poudre SP dû à la formation d’une structure tribologique par couches composées de TiC fragmenté et d’oxydes de Ti. De plus, les propriétés lubrifiantes de la structure tribologique par couches sont dues à la présence de carbone libre venant des particules de TiC, ce qui entraîne une diminution significative du coefficient de frottement (CoF). L’augmentation de la force normale et de la fraction du volume de céramique entraine une exposition plus élevée des particules de céramique dans le revêtement, ce qui produit une structure tribologique par couches plus continue, réduisant ainsi le taux d’usure et le CoF. Les essais d’usure effectués à des températures statiques différentes ont démontré que le TiC a significativement amélioré la résistance à l’usure des revêtements de Ti6Al4V jusqu’à une température de 200 ᵒC en raison de la formation d’une structure tribologique par couches. Au-delà de 200 ᵒC, la tribo-oxidation a entrainé la formation d’une couche d’émaillage d’oxyde, ce qui a eu un effet plus considérable dans la diminution du taux d’usure et du CoF des revêtements métalliques et composites

Ti alloys are used in aerospace and automobile applications due to their high specific strength and corrosion resistance. However, manufacturing large components through conventional techniques leads to high production and machining costs. To overcome these challenges, cold spray (CS) is seen as a feasible and economical technique to additively manufacture and repair bulk components. In CS, coating deposition occurs through supersonic impact of powder particles in solid state. The particle temperature throughout the process is well below the melting point of the material, which prevents phase transformations and oxidation. Despite good deposition efficiency, Ti6Al4V coatings when cold sprayed using nitrogen as propellant gas are often porous. The present thesis explores the influence of metal powder properties on the cold spray deposition, coating properties and tribology of Ti6Al4V coatings. Coatings were deposited using different feedstock powders and characterized to determine their porosity, microstructure, hardness and cohesion strength by performing mechanical tests and microscopic observations. For the same spray conditions, coatings deposited using irregular powders (IP) with equiaxed microstructure led to dense deposits with better cohesion strength compared to spherical powders (SP) with martensitic microstructure. Also, splats from IP bonded with higher adhesion strength and showed highly refined post sprayed microstructures compared to splats from SP. While Ti6Al4V coatings from IP exhibited dense microstructures and better mechanical properties, in terms of tribological performance, the porous coatings from SP showed lower wear rates compared to coatings from IP. This was due to entrapment of wear debris in the pores during wear process that decreased abrasive ploughing and lowered the wear rates.To improve the tribological properties of Ti6Al4V, TiC powders were co-fed to the cold spray gun and Ti6Al4V-TiC metal matrix composite (MMC) coatings were fabricated. Sliding wear tests showed that the tribology of the MMCs was significantly influenced by ceramic volume fraction, coating properties, normal load and ambient temperature. For similar ceramic volume fractions, MMCs deposited with IP showed lower wear rates compared to MMCs from SP, due to the formation of tribolayers composed of Ti oxides and fragmented TiC particles. In addition, the lubricating properties of the tribolayers due to the presence of free carbon from the TiC particles led to a significant drop in CoF. Increase in normal load and ceramic volume fraction resulted in greater exposure of ceramic particles to the sliding interface and led to the formation of a more continuous tribolayer that further decreased the wear rate and CoF. Sliding wear tests performed at different static temperatures showed that reinforcing TiC significantly improved the wear resistance of Ti6Al4V up to 200ᵒC due to tribolayer formation. Beyond 200ᵒC, tribo-oxidation led to the formation of oxide glaze layers that had a more profound effect in decreasing the wear and friction of both metal and composite coatings. The microscopic observations, mechanical and tribology tests helped to describe the process-structure-property-performance relationship of cold sprayed Ti6Al4V and Ti6Al4V-TiC MMCs

Chromik, Richard (Supervisor)