Molecular Simulation of the Formation of TixOy Nanoparticles in the Vapor Plume during Laser Welding

Le stage se déroulera au sein de l'équipe LTm (Laser et Traitement des Matériaux) du département Procédés Métallurgiques, Durabilité, Matériaux (PMDM) du Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB, UMR 6303 CNRS, Université Bourgogne Europe), sur le site de l'IUT du Creusot. L'équipe, composée d'une dizaine d'enseignants-chercheurs, dispose d'une halle laser regroupant des moyens de soudage, de traitement de surface et de fabrication additive.

Les activités de l'équipe portent sur l'interaction laser-matière et les procédés laser appliqués aux matériaux métalliques : soudage laser de matériaux similaires et dissimilaires (alliages de titane, aciers, alliages d'aluminium), texturation et fonctionnalisation de surface par laser impulsionnel, et fabrication additive. Ces travaux combinent expérimentation, caractérisation des zones fondues et des surfaces traitées (MEB, MET, analyses structurales et chimiques) et modélisation numérique des procédés, de l'échelle macroscopique jusqu'à l'échelle atomistique.

Le présent sujet s'inscrit dans cette démarche : les simulations de dynamique moléculaire menées pendant le stage seront confrontées aux observations expérimentales de l'équipe sur les nanoparticules d'oxydes de titane produites lors des traitements laser à l'air et dans l'eau. Le stagiaire bénéficiera ainsi d'un environnement associant simulation et expérience, ainsi que des collaborations académiques et industrielles du département PMDM.

Le traitement des matériaux métalliques par des lasers à courte durée d’impulsion (tels que laser nanoseconde) est une technologie flexible et versatile permettant de produire les morphologies variées de la surface associées avec l’insertion des éléments légers tels que l’oxygène et l’azote. La modification de la rugosité et de la nature chimique de la surface du titane ouvre de vastes possibilités de contrôler sa mouillabilité, sa photoréactivité ou encore sa biocompatibilité. Dans le même temps, le traitement laser produit abondamment des nanoparticules d’oxydes de titane, qui posent le problème de pollution et dont les mécanismes de formation ne sont pas complètement élucidés. L’interaction intense entre le faisceau laser et la surface métallique provoque une vaporisation locale du matériau, suivie de la condensation de nanoparticules, qui évoluent ensuite dans le milieu ambient et subissent des réactions chimiques complexes conduisant à la formation d’oxydes ou d’hydroxydes de titane. Comprendre à l’échelle atomistique ces phénomènes de nucléation, de croissance et d’oxydation est fondamental pour optimiser les procédés de traitement de surface par laser et limiter les effets indésirables liés à la pollution particulaire. Lors du traitement laser à l’air, ces nanoparticules retombent partiellement sur le substrat fondu, alors que lors du traitement dans l’eau elles forment une suspension qui précipite au bout de quelques heures et peut être analysée par MET et MEB.
Ce stage propose d’utiliser la dynamique moléculaire pour simuler la phase vapeur de titane dans des conditions extrêmes de température et de pression, caractériser les mécanismes de nucléation et de croissance des nanoparticules de TixOy, et analyser leurs interactions avec différents environnements réactifs, en mettant l’accent sur l’oxydation dans l’air et en présence d’eau, afin d’identifier les conditions favorables à la stabilisation de différentes phases métalliques ou oxydées. Les résultats attendus incluent une meilleure compréhension atomistique des processus de condensation et d’oxydation, la distinction des comportements spécifiques entre atmosphère gazeuse et milieu aqueux, et des pistes pour contrôler la composition chimique et la structure des nanoparticules.
Le stage permettra à l’étudiant(e) de développer des compétences solides en simulation numérique et en analyse structurale et thermodynamique des matériaux, ainsi qu’une compréhension approfondie des procédés laser et de la physico-chimie du titane, tout en travaillant dans un projet interdisciplinaire à l’interface entre matériaux, simulation et physique des plasmas. Ce stage s’adresse à un(e) étudiant(e) de Master 2 en physique, chimie, science des matériaux ou nanosciences, motivé(e) par la simulation numérique et l’analyse de données, et se déroulera au Laboratoire ICB, Département PMDM, Équipe LTM, Université de Bourgogne, IUT du Creusot, pour une durée de 5 mois. À l’issue du stage, l’étudiant(e) pourra se présenter au concours de l’École Doctorale pour l’obtention d’une bourse de thèse du MESR, sur un sujet de thèse, dans la continuité directe des travaux menés pendant le stage.

Étudiant(e) en Master 2 (ou dernière année d'école d'ingénieur) en physique, chimie, science des matériaux ou nanosciences, avec une orientation vers la modélisation et la simulation numérique.

Compétences attendues :

Bases solides en dynamique moléculaire et/ou simulation atomistique (LAMMPS, GROMACS ou équivalent)

Connaissances en thermodynamique, cristallographie et chimie des matériaux (oxydes, mécanismes de nucléation et de croissance)

Pratique d'un langage de programmation ou de script (Python, Bash) pour le traitement et l'analyse des données

Aisance dans un environnement Linux ; une première expérience du calcul intensif (clusters, HPC) est un plus

Appréciés :

Notions sur les potentiels interatomiques réactifs (ReaxFF, COMB, MEAM…)

Intérêt pour les procédés laser et la confrontation simulation-expérience (MEB, MET)

Qualités :
Autonomie, rigueur, goût pour le travail interdisciplinaire, bon niveau d'anglais scientifique (lecture d'articles, rédaction). Un intérêt pour la poursuite en thèse est fortement souhaité, le stage pouvant déboucher sur une candidature au concours de l'École Doctorale.