THESE ANR : Etude expérimentale et modélisation de l’usure et du frottement d’alliages métalliques (TA6V, 316L) sous Hydrogène

Contexte de thèse : La transition écologique va impliquer sur le long terme une utilisation massive de l’hydrogène comme vecteur d’énergie décarbonée. Ceci va nécessiter de mettre en place une industrie spécifiquement dédiée aux applications de transport, de stockage et de gestion des flux d’hydrogène gazeux sous hautes pressions (300 à 600 bars) (Industrie, Aviation, Transports Routier et Ferroviaire). Cependant, l’hydrogène, au travers de processus de diffusion, tend à fragiliser les matériaux métalliques (aciers, alliages de titane) induisant une très forte réduction de la ténacité et de l’endurance en fatigue [1]. De très nombreux travaux sont actuellement conduits pour étudier les phénomènes de fissuration sous H₂g pour les composants statiques (ex. canalisations et réservoirs). Le développement de cette industrie nécessite aussi la mise en place de composants soumis à des glissements alternés (vannes, pistons de compression). Ces composants seront soumis à des sollicitations tribologiques de frottement et d’usure sous atmosphères H₂g. Or, contrairement à la problématique fissuration, il existe très peu de recherche sur les aspects de frottement et d’usure sous H₂g pressurisé.

Pour répondre à cet enjeu, un projet de recherche intitulé, Tribology in Hydrogène (TrHy) (https://anr.fr/Projet-ANR-24-CE08-7952), financé par l’Agence Nationale de la Recherche a été lancé. Dans ce cadre, une thèse de doctorat, en collaboration entre l’EMP (CDM) et l’ECL (LTDS), sera menée de Octobre 2025 à Septembre 2028.

Déroulement de la thèse

Cette thèse combinera des travaux expérimentaux et des simulations numériques. Elle se déroulera principalement au Centre des Matériaux des Mines (CDM) de Paris du site de Versailles en collaboration avec le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS) de l’Ecole Centrale de Lyon.  Le CDM dispose d’une enceinte H₂g très haute pression (300 bars), développée dans le cadre du projet Messiah (https://messiah.minesparis.psl.eu/), montée sur un banc hydraulique MTS. Ce montage permet de réaliser des essais mécaniques (ténacité, fatigue). Plus récemment, un montage tribologique miniaturisé (appelé « TriboH2 ») a été conçu et a pu être intégré directement dans l’enceinte H₂g. Il permet l’étude d’amplitudes de glissement alternées comprises entre +/- 5 mm à +/- 5 µm (fretting usure) pour une configuration de contact sphère/plan. Il permet également de suivre l’évolution de l’effort tangentiel en fonction de l’amplitude de glissement, d’évaluer l’évolution du coefficient de frottement et, le cas échéant, de détecter les phénomènes de grippage.

1 – Analyse expérimentale

L’étude tribologique portera sur deux alliages modèles : un alliage de titane TA6V favorable à la formation d’hydrures et un acier austénitique 316 L moins favorable à la formation d’hydrures. Disposant du banc TriboH2, l’étudiant(e) mettra en place une matrice d’essais expérimentaux pour étudier en fonction de la pression partielle de H₂g l’influence des conditions de chargement telles que la pression de contact, l’amplitude de glissement mais aussi la fréquence de glissement. On étudiera l’évolution du coefficient de frottement ainsi que les processus associés aux phénomènes d’usure (évolution du volume d’usure en fonction du travail dissipé dans l’interface). L’étude sous atmosphère H₂g sera complétée par une étude similaire réalisée sous air ambiant (utilisation du même montage TriboH2 mais installé sur un banc de fatigue sous air ambiant). Cette analyse sous air ambient servira de référence pour étudier l’effet d’une atmosphère H₂g sur le comportement tribologique des interfaces TA6V et 316L étudiées. Cette recherche expérimentale sera accompagnée d’expertises et d’analyses de surface (XPS et AES) et micro-Raman, réalisées en grande partie au LTDS, pour établir les scénarios d’endommagement mis en jeu. On s’intéressera, en particulier, à la distribution des espèces (hydrures, oxydes, etc ...) présentes en surface ainsi qu’à la distribution en sous couche des zones affectées par la fragilisation par l’hydrogène. L’étude comparative de l’acier 316L et du TA6V devrait permettre de découpler les effets liés à la formation des hydrures (tribochimie de l’interface) et ceux  induits par la fragilisation par l’hydrogène vis-à-vis des cinétiques de la création des débris et de l’usure.

2 – Modélisation multiphysique

Disposant des données de l’étude expérimentale, un modèle d’usure sera proposé. Il consistera à coupler deux modèles multiphysiques existants. Le premier modèle, dit « WTO box » [2], permet de simuler l’usure locale dans l’interface, la formation de lits de débris mais aussi les processus de diffusion d’espèces gazeuses (ex. O₂, N₂, H₂) à l’aide d’une approche ADR (Advection, Diffusion, Réaction). Ainsi, il est possible de simuler localement le processus d’usure abrasive lorsque la pression locale d’hydrogène permet la reformation d’un film d’hydrures à l’interface, ou le processus d’usure adhésive lorsque cette pression est insuffisante. Pour tenir compte de l’effet de fragilisation par l’hydrogène (FPH), cette simulation sera couplée à une modélisation, dite HELP [3], intégrée dans le code FEM Z-mat (CDM), qui permettra de simuler la diffusion de l’hydrogène dans la microstructure en fonction de la déformation plastique induite dans l’interface. Ainsi, en combinant ces deux modélisations multiphysiques (WTO & HELP) il sera possible de mettre en place pour la première fois un modèle d’usure complet décrivant l’influence de l’hydrogène gazeux dans les processus tribologiques (usure et frottement).

[1] L. Briottet et al. Fatigue crack initiation and growth in CrMo steel under hydrogen pressure,  Inter. J. of Hydrogen Energy, 40 (2015) 17021-17030.

[2] P. Arnaud, S. Baydoun, S. Fouvry, Modeling adhesive and abrasive wear phenomena in fretting interfaces: A multiphysics approach coupling friction energy, third body and contact oxygenation concepts, Tribology International 161 (2021) 107077.

[3] D. Lopes Pinto, A. El Ouazani Tuhami, N. Osipov, Y. Madi, J. Besson, Simulation of hydrogen embrittlement of steel using mixed nonlocal finite elements, European Journal of Mechanics / A Solids (2023), 104 (2024) 105116.

Etablissement Principal :

Ecole des Mines de Paris - PSL

https://www.minesparis.psl.eu/

Laboratoire Centre des Matériaux

https://www.mat.minesparis.psl.eu/

Etablissement Secondaire (Séjours ponctuels):

Ecole Centrale de Lyon  : https://www.ec-lyon.fr/

Laboratoire LTDS : https://ltds.ec-lyon.fr/ 

Ingénieur(e) Matériaux, Mécanique motivé(e) par la recherche expérimentale et la simulation numérique : Ecoles Centrales, INSA, Ecoles des Mines, ENSTA, ...