Sujet de thèse : Caractérisation et prédiction de l`efficacité de

Sujet de thèse :
Caractérisation et prédiction de l’efficacité de déposition lors du procédé de projection à froid
Spécialité du doctorat préparé :
Sciences pour l’Ingénieur
Mots-clefs :
Projection à froid, adhésion, interface, déposition, rendement, simulation éléments finis
Descriptif détaillé de la thèse :
Contexte technologique:
Depuis peu de décennies, la technologie de fabrication additive appliquée aux métaux connaît
un intérêt grandissant grâce aux avancées significatives de faisabilité probantes mettant en
exergue des potentialités de rupture technologiques. Si cette méthode d’élaboration a été
beaucoup développée pour les matériaux à basse température de fusion à l’instar des
polymères, elle est actuellement étendue aux autres familles de matériaux comme les
céramiques ou les alliages métalliques avec la maîtrise des procédés de projection thermique.
Dans ce domaine, la projection à froid est un procédé émergent qui a permis le
développement de performances ou fonctionnalités nouvelles pour plusieurs matériaux
d’usage courant. Actuellement, elle couvre un spectre plus large de matériaux y compris les
compositions hétérogènes de plus en plus complexes (compositions multimétalliques) et les
nanomatériaux. Simple, rapide et flexible, le procédé de projection à froid consiste à projeter
de la poudre sur un substrat à l’aide d’un écoulement de gaz pressurisé, le mélange étant
envoyé dans une buse de type De Laval (section convergente puis divergente) pour atteindre
de fortes vitesses de projection grâce à la détente du gaz. Lors de la collision dynamique sur
le substrat, les pressions de contact élevées (quelques GPa) générées par l’impact intense
permettent l’adhésion des particules sur le substrat et la cohésion inter-particule pour former
un dépôt. Contrairement à la projection thermique conventionnelle, la projection à froid
maintient les poudres projetées à l’état solide et à basse température permettant en cela
d’éviter plusieurs effets thermiques indésirables tels que les changements structuraux, les
modifications de propriétés, l’oxydation, les distorsions thermomécaniques, la fissuration …
Travaux envisagés:
Les études R&D sur la projection à froid ont aujourd’hui abouti à des référentiels opératoires
éprouvés d’intérêts pragmatiques cruciaux pour le déploiement du procédé à l’échelle
industrielle. Toutefois, l’adhérence et l’efficacité de déposition deviennent inéluctablement
des facteurs à maitriser pour promouvoir davantage le procédé, surtout dans le cas de
nouvelles combinaisons revêtement/substrat. C’est l’objectif principal de ce sujet de thèse
qui propose une investigation tripartite : identification et caractérisation des phénomènes
d’adhésion, modélisation de l’adhésion, simulation prédictive de la formation de dépôt.
Les travaux de recherche porteront sur la compréhension fine des phénomènes d’adhésion en
projection à froid et leurs conditions de formation en fonction des paramètres opératoires et
de l’état de la surface du substrat selon les différentes préparations envisagées. A l’aide de
caractérisations mécaniques, morphologiques et structurales, on cherchera à identifier des
paramètres ou indicateurs d’adhésion. Cette étude permettra d’établir et de caractériser les
variances d’adhérence et de rendement de déposition gouvernant la formation du dépôt pour
trois types de combinaisons : Métal/Métal, Métal/Céramique, Métal/Polymère.
Un second volet concerna un travail de modélisation de l’adhérence et de l’efficacité de
déposition comprenant une revue bibliographique des avancées sur ce sujet. Il s’agira ensuite
de construire, à partir des variances expérimentales obtenues, des modèles
phénoménologiques ou empiriques fiables en fonction des paramètres d’adhésion pertinents
identifiés et des paramètres particules. Cette étude sera abordée avec une approche simulation
numérique complémentaire pour analyser le comportement interfacial de cohésion interparticule et d’adhésion particule/substrat qui prévaut durant la formation du dépôt gouvernée
par la collision des particules projetées sur le substrat à vitesse d’impact élevée. La simulation
numérique sera effectuée à l’aide du logiciel Abaqus.
Le troisième volet de cette thèse se focalisera sur l’identification des conditions optimales
d’adhésion et d’efficacité de déposition selon une logique d’interactions à deux niveaux, i.e.
interaction paramètres opératoires/paramètres particules et interaction paramètres
particules/paramètres d’adhésion, cette dernière étant déjà établie lors des travaux du second
volet indiqués précédemment. Dans cette partie, on s’intéressera donc à l’analyse du
comportement cinématique et thermique des particules qui déterminent leurs conditions de
vitesse et de température avant la collision sur le substrat. Une double démarche
expérimentale/simulation numérique CFD sera également privilégiée. Elle permettra d’une
part de mettre en œuvre un modèle de comportement multiphysique prédictif du procédé de
projection à froid, et de proposer d’autre part une méthode de détermination de la température
en vol des particules corroborée par des évidences expérimentales. On utilisera le code de
calcul Ansys Fluent pour l’analyse de l’écoulement diphasique fluide/particules lors de la
projection.
En fonction de l’avancement de la thèse, une étude d’optimisation de l’efficacité de
déposition en fonction de l’ensemble des paramètres procédés, matériaux et outillage sera
abordée, avec comme perspective la construction de fonctions objectives d’optimisation pour
en déduire des paramètres optimaux pour un rendement maximisé à l’aide d’un dialogue
simulation numérique/routines d’optimisation. In fine, les travaux engagés devront permettre
d’identifier des conditions optimales de rendement de même que des limites d’efficacité du
procédé de projection à froid.
Connaissances requises :
Le(la) candidat(e) a suivi une formation à dominante matériaux/mécanique dispensée par un
diplôme d’ingénieur et/ou de master. Il (elle) sera l’aise dans la conduite de travaux
expérimentaux (campagne d’essais, caractérisations, analyses structurales). Des
connaissances en simulation numérique d’écoulement fluide et de comportement dynamique
des structures seront particulièrement appréciées.
Informations complémentaires :
Début de la thèse prévu pour le 1er septembre 2016.
Rémunération : ~1360€ net mensuel (pouvant atteindre 1799€ avec un avenant
d’enseignement).
CV et LM à envoyer avant le 1er juin 2016.
Contact :
Direction de la thèse :
Sophie COSTIL : Maître de Conférences HDR, tel : 0384583535, [email protected]
Co-direction de la thèse :
Rija N. RAOELISON : Maître de Conférences, tel : 0384583097, [email protected]
Directrice IRTES-LERMPS
Cécile Langlade : Professeur des Universités, tel : 0384583116, [email protected]
Institut de Recherche sur les Transports, l’Energie et la Société – IRTES EA7274
Université de Bourgogne Franche-Comté/Université de Technologie de Belfort-Montbéliard