Etude in-situ et ex-situ de matériaux microstructurés soumis à un choc produit par plasma laser. Application au Laser Shot Peening

texte Scientifique

Le grenaillage laser, ou laser shot peening (LSP), est un procédé visant à introduire des contraintes résiduelles de compression à la surface d’un matériau métallique afin d’en améliorer les propriétés en fatigue ou de résistance à la fissuration. Ce procédé de haute valeur ajoutée est déjà utilisé principalement en aéronautique. En effet, cela permet d’augmenter la durabilité d’une pièce mécanique ou d’une structure, et donc de limiter la fréquence de remplacement et l’usage de matériaux ainsi que de matière. Dans la pratique, un laser de haute intensité (densité de puissance > GW/cm2) est appliqué sur une tache laser de diamètre millimétrique pendant une dizaine de nanosecondes. Son absorption par la surface produit un plasma de haute pression (>GPa), dont l’expansion induit en réaction une onde de choc dans le matériau. Si l’amplitude de cette onde est suffisante, elle induit un champ de déformations plastiques hétérogène, conduisant in fine à des contraintes résiduelles une fois l’équilibre statique atteint. Même si ce procédé est mis en œuvre industriellement depuis plusieurs années et de nombreux travaux de recherches ont été réalisés, il reste des questionnements scientifiques fondamentaux en suspens. Parmi ceux-ci, l’impact de la microstructure sur la propagation des ondes de chocs et la relaxation des contraintes a été très peu abordé. Pourtant, il conditionne la génération locale de contraintes qui peuvent affaiblir le matériau, comme l’ont montré récemment des modélisations numériques à ces échelles. Jusqu’à maintenant aucune expérience n’a pu le mettre en évidence. En effet, ces études nécessitent des matériaux texturés bien maîtrisés et des mesures dynamiques résolus temporellement (<ns) à l’échelle des grains (dizaines de microns). Ce sont les challenges ambitieux proposés dans cette thèse. 

Objectif de la thèse 

Il s’agira de suivre à la fois la propagation in-situ d’un choc laser et les champs de contraintes à postériori à l’intérieur de matériaux texturés qui seront fabriqués spécifiquement. Ces mesures seront réalisées par la diffraction des rayons X résolue en temps (résolution ps)  ou en espace (microns) , réalisables grâce aux sources synchrotrons et X-FEL, couplées à la vélocimétrie Doppler. Concrètement, le ou la candidat-e sera amené-e à préparer, réaliser et analyser des campagnes expérimentales sur le X-FEL Européen localisé à Hambourg (1ère campagne expérimentale sélectionnée pour Décembre 2026), un synchrotron (ESRF à Grenoble ou Diamond en Angleterre) et le Laser HERA situé à Palaiseau. Les extractions des champs de contrainte dans des conditions de sollicitations bien maîtrisées nécessitent la mise en place de méthodes inverses, et  seront confrontées à de nouveaux modèles numériques qui seront développés dans le projet ANR L-SPIRITS dans lequel cette thèse s’intègre. Il s’agira à terme d’optimiser le procédé LSP en jouant sur les paramètres du procédé (taille de tâche laser, intensité, durée d’impulsion et taux de recouvrement).

Le laboratoire PIMM réalise des recherche dans le domaine des matériaux et des procédés. Il s'attache en particulier à étudier l'impact de ces derniers sur les propriétés et performances des matériaux. Dans le domaine des chocs produits par laser, il a une expertise unique qui lui permet d'aborder tous les aspects depuis le laser sur le comportement en fatigue par exemple. Il héberge d'ailleurs tous les équipements pour réaliser les essais et les compétences pour l'accès aux grands instruments nécessaires à la caractérisation des matériaux in-situ ou ex-situ. (Laboratoire en ZRR)

Compétences recherchées :

Le ou la candidate doit avoir un niveau bac+5 dans l’un des domaines suivants : science de matériaux, physique de la matière condensée, mécanique des matériaux

Compétences requises parmi les suivantes : curiosité et intérêt pour la multidisciplinarité, rigueur et esprit de synthèse, sens de l’organisation, de la communication, goût pour le travail en équipe, autonomie dans le travail. 

Seraient un plus :  connaissances en mécanique des chocs, connaissance d’une ou plusieurs des techniques d’analyse suivante : diffraction des rayons X, microscopie électronique, maîtrise d’un langage de programmation (ex. python), bon niveau d’anglais lu, écrit et parlé.