FABRICATION INTELLIGENTE POUR L’OBTENTION DE PIECES BIMETALLIQUES ACIER/BASE NICKEL

La Région Occitanie porte une stratégie d’innovation, notamment à travers le thème « Matériaux intelligents et durables, et procédés associés ». Et la nouvelle Université de Technologie de Tarbes (UTTOP) s’est donné pour objectifs de répondre à des enjeux sociétaux tels que « Préparer l’industrie du futur centrée sur l’innovation pour accompagner la transformation industrielle » et « soutenir les transitions environnementales par des approches écoresponsables axées sur l'optimisation des systèmes énergétiques ». Enfin, l’optimisation des matériaux de structures participe à la décarbonation de l’industrie, encouragée par le Pacte Vert Européen. La combinaison de superalliages base nickel et d’acier présente plus particulièrement un intérêt dans des systèmes de production d’énergie ou systèmes de propulsion notamment (défi-clef « Hydrogène vert » de la Région Occitanie).

Le projet dans lequel la présente thèse s’inscrit, a pour objectif de développer la fabrication additive afin d’optimiser la réalisation de pièces complexes métalliques multi-matériaux. La mise en œuvre de matériaux à gradients permettra de combiner leurs avantages respectifs (coût, optimisation des propriétés d’usage …) afin de réduire leur empreinte écologique au cours du cycle de vie des pièces. L’optimisation des propriétés par l’agencement de ces matériaux entraînera un allègement de structures, une réduction de la quantité de matière engagée, et son utilisation optimale. Enfin, l’étude et la maitrise de ces procédés additifs multi-matériaux permettront aussi de faciliter la réparation des pièces et donc d’augmenter leur durée de vie. L’emploi de superalliages base nickel dans des systèmes de production d’énergie se justifie quant aux températures, niveaux de contraintes, et réactivités des milieux d’action (corrosion, oxydation, usure à chaud), mais parfois seules certaines parties des pièces subissent ces sollicitations. Le reste de la pièce pourrait être produit dans un alliage moins onéreux et issu du recyclage, comme un acier allié ou un acier inoxydable austénitique voire ferritique. Cette étude propose plus particulièrement d’étudier les caractéristiques métallurgiques et mécaniques au voisinage des interfaces en fonction des paramètres énergétiques du procédé Wire-Arc Additive Manufacturing (WAAM) déterminés notamment à partir des champs thermiques lors de la fusion/solidification.

Ce programme de recherche se partage en deux volets, dans les deux laboratoires partenaires. Le premier volet sera pris en charge par le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), et plus particulièrement l’équipe Assemblages Soudés (Nîmes). Il s’agit de parvenir à produire, par procédé WAAM, des structures multi-matériaux à gradients de composition maitrisés. Pour étudier plus finement et comprendre les phénomènes impliqués dans ces productions (évolution des champs de température, morphologie et stabilité des bains de fusion, etc.), une instrumentation poussée sera mise en œuvre.

La thèse proposée se chargera du second volet du programme et se déroulera au sein du Laboratoire Génie de Production (LGP). Elle se déroulera en collaboration étroite avec l’équipe nîmoise, et se focalisera sur la caractérisation des microstructures des objets produits et la détermination des gradients de propriétés mécaniques résultants. Ainsi, les gradients de compositions seront analysés, et les résultats mesurés seront corrélés aux conditions de fabrication (paramètres procédés), et aux phénomènes observés in situ (évolution des champs de températures, écoulements au sein des bains de fusion lors des différents dépôts) par l’équipe partenaire. La microstructure sera étudiée par diffraction des rayons X et par microscopie optique et électronique. Les propriétés mécaniques globales en traction à différentes températures seront mesurées, et l’analyse des zones de rupture permettra d’évaluer le rôle des zones de gradient de microstructure sur le comportement des multi-matériaux fabriqués. De manière locale le comportement de l’interface sera analysé par nanoindentation et par essai de microtraction suivi par corrélation d’image, afin d’identifier plus précisément les zones responsables de la rupture à l’échelle de la microstructure. L’effet des traitements thermiques post-fabrication sera également étudié par analyses thermiques (ATD, DSC, dilatométrie), en vue de leur optimisation. Les objets produits seront aussi caractérisés de manière plus originale, en tentant de reproduire les conditions de gradients de température et de composition en cours de fabrication grâce au simulateur thermophysique Gleeble 3500 du LGP. Les deux doctorants travailleront en collaboration étroite, et seront amenés à travailler occasionnellement sur le site du laboratoire partenaire.
 

Le Laboratoire Génie de Production est une unité de recherche rattachée à l’Université de Technologie de Tarbes - Occitanie – Pyrénées. Il est composé de deux départements scientifiques : « Systèmes » et « Mécanique – Matériaux – Procédés ». Ce dernier rassemble 30 enseignants-chercheurs sur des thématiques variées, avec des approches mêlant expérimentation et modélisation, dans des champs d’activités tels que les assemblages, les composites à matrices organiques, les liens métallurgie-procédés-comportements mécaniques, l’endommagement des matériaux et de structures, la fabrication additive, l’usinage, la mécanique des procédés, la tribologie, les fibres biosourcées pour matériaux composites…

https://www.lgp.enit.fr/fr/composition-des-equipes-2/departement-scientifique-mecanique-materiaux-procedes.html

Le profil attendu du candidat sera le suivant :

Un ingénieur ou titulaire d’un Master 2, en Science des Matériaux (un master Recherche serait un plus), avec un goût pour l’expérimentation. Des bases solides en métallurgie et une maitrise de l’utilisation des moyens de caractérisation de base de ce domaine doivent être vérifiées. Un niveau d’anglais suffisant devra être validé (B2).