Étude du comportement tribologique en régime lubrifié de revêtements cold spray composites à base d’acier

Tribological behavior of steel-based cold spray composite coatings

• Auteur / Autrice : Laurent Aubanel
• Direction : Alain Thorel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 14/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Mohammed El Mansori
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Thorel, Armelle Vardelle, Sylvie Descartes, Patrice Duhaut, Francesco Delloro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hanlin Liao, Fabrice Dassenoy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Automobiles -- Moteurs -- Lubrification

Gaz à effet de serre -- Réduction

Moteurs à combustion interne

Topographie de surfaces

Métaux -- Finition

Tribologie (technologie)

Mots clés libres

Tribologie

Cold spray

Revêtement composite

Finition de surface

Topographie

Lubrification

Tribofilm

Cylindre de bloc-moteur

Moteur à combustion interne

Emissions de CO2

Tribology

Cold spray

Composite coating

Surface finishing

Topography

Lubrication

Tribofilm

Cylinder block

Internal combustion engine

CO2 emissions

Résumé

Les émissions de CO2, liées au frottement des pistons dans les cylindres des moteurs à combustion interne automobiles, représentent environ 0,53% des émissions mondiales. Dans cette thèse, des revêtements composites acier/acier sont mis en oeuvre par cold spray. Leur finition de surface, par polissage ou rodage, permet de révéler une surface avec des protubérances. Lors d’essais tribologiques lubrifiés à chaud, cette topographie entre en synergie avec les additifs ZDDP et MoDTC de l’huile pour former un tribofilm épais tout autour des protubérances. Ce tribofilm garantit une protection totale du revêtement face à l’usure, même dans des conditions de frottement extrêmes. Grâce aux feuillets de MoS2 qu’il contient, il permet d’atteindre un coefficient de frottement extrêmement faible (<0,04). Ce bénéfice en régime mixte/limite, associé à celui simulé en régime hydrodynamique, dû à la réduction de la force de cisaillement de l’huile générée par les protubérances, permet d’envisager une baisse de 0,14% des émissions mondiales, soit 50 MtCO2 par an.

CO2 emissions related to piston friction inside cylinders of automotive internal combustion engines represent about 0.53% of global emissions. In this PhD thesis, steel/steel composite coatings are produced by cold spray. Their surface finishing, by polishing or honing, reveals a surface with protuberances. During hot lubricated tribological tests, this topography interacts with the ZDDP and MoDTC oil additives to form a thick tribofilm all around the protuberances. This tribofilm ensures a full protection of the coating against wear, even under harsh friction conditions. Thanks to the MoS2 layers it contains, an extremely low friction coefficient (<0.04) is achieved. The benefit in the boundary/mixed lubrication regime, combined with the one simulated in the hydrodynamic regime, due to oil shear reduction created by the protuberances, allows to estimate a 0.14% reduction of global emissions, i.e. 50 MtCO2 per year.