Description du sujet de thèse

CONTEXTE
Un carbure cémenté est un matériau composite, élaboré par métallurgie des poudres, qui combine la dureté élevée d'une phase dure (carbure) et la ductilité d'un liant métallique. Actuellement, la combinaison WC-Co est de loin la plus utilisée. Cependant, l’utilisation de ce matériau, qui a révolutionné le secteur des outils de coupe il y a quelques décennies, est aujourd'hui remise en cause par la nécessité de remplacer le cobalt, conformément à sa classification REACH en raison de sa toxicité et de son impact environnemental lors de son extraction.
Après de nombreuses études sur les métaux durs alternatifs, il apparait qu'il n'y aura pas d'alternative unique aux carbures cémentés WC-Co qui puisse couvrir une gamme aussi large d'applications. Ainsi, les différentes applications nécessiteront différentes combinaisons [phase dure/liant] pour répondre à des besoins spécifiques. La recherche de carbures cémentés alternatifs peut être soutenue par l'utilisation d'outils de modélisation. En effet, il existe un intérêt croissant pour l’ICME « Integrated Computational Materials Engineering », qui vise à intégrer les connaissances des scientifiques et des ingénieurs en matériaux dans des bases de données, afin de prédire les liens entre la composition chimique, les procédés, les microstructures et les propriétés. Cependant, dans de nombreux cas, les avancées ne sont pas possibles en raison de l'insuffisance ou de l'absence de données expérimentales concluantes pour permettre l’utilisation et le développement de ces modèles.
Dans le cadre de ce projet, nous établirons une collaboration forte entre des groupes de recherche experts en modélisation et en expérimentation pour couvrir un large domaine d’expertises : élaboration, analyse microstructurale avancée, caractérisation mécanique et modélisation. Nous proposons d'explorer le domaine des carbures cémentés alternatifs (c'est-à-dire contenant des liants alternatifs et/ou des phases dures alternatives) en partant d'une compréhension fondamentale des paramètres chimiques et microstructuraux qui contrôlent les propriétés mécaniques, puis en utilisant ces informations pour "adapter" la composition de nouveaux matériaux afin de fournir les propriétés requises pour une application ciblée.

DESCRIPTION
L'objectif principal de cette étude est de comprendre comment la relation microstructure-propriété peut être contrôlée, afin d’élaborer des carbures cémentés alternatifs à WC-Co.
Les trois sous-objectifs sont les suivants : (1) identifier des liants de substitution au cobalt qui peuvent influencer la microstructure et les propriétés de manière efficace ; (2) étudier l'effet de la taille des grains de carbure (WC et NbC) sur les propriétés et (3) améliorer les modèles prédictifs à l'aide de nouvelles données expérimentales.
Après avoir sélectionné les combinaisons prometteuses [phase dure/liant], des échantillons seront élaborés par métallurgie des poudres dans des conditions proches de celles de l'industrie.
Une étude microstructurale sera ensuite réalisée.
- La forme, la morphologie et la distribution de la phase dure, de la phase liante, des phases secondaires et de la porosité seront observées à l'aide de la microscopie électronique à balayage (MEB).
- La distribution en taille et la contiguïté des grains de la phase dure seront déterminées à partir de micrographies EBSD (Electron BackScattered Diffraction). Le caractère facetté ou arrondi des interfaces entre la phase dure et le liant sera étudié.
- Les interfaces [phase dure/liant] et les joints de grains [phase dure/phase dure] seront observés à l'aide de la microscopie électronique à transmission (MET), pour mettre en évidence d'éventuelles ségrégations ou précipitations de carbures secondaires ou de phases intermétalliques.
Les mécanismes de croissance des grains et d'inhibition de la croissance des grains pendant le frittage seront analysés pour les carbures cémentés base WC et base NbC, en utilisant des liants métalliques de différentes compositions chimiques. L'étude portera sur l'effet de la chimie du liant, de la teneur en carbone, de la fraction volumique de liant, de la taille initiale des particules de phase dure, du temps de frittage (cinétique) ainsi que de l'ajout d'un inhibiteur de croissance de grains. L'effet de la taille des grains de carbure et de la teneur en liant sur les propriétés mécaniques sera analysé pour des combinaisons [phase dure/liant] d’intérêt.

Contexte de travail

La thèse débutera en septembre ou octobre 2024 et sera financée dans le cadre d'un projet ANR franco-autrichien (ANR-23-CE08-0039-01, durée 36 mois).
Les travaux de thèse seront menés principalement au laboratoire SIMaP à Grenoble (https://simap.grenoble-inp.fr/) qui est rattaché au CNRS Chimie. Le projet prévoit une collaboration étroite avec un étudiant en doctorat à l’Université de Vienne en Autriche. Deux séjours scientifiques (6 mois et 5 mois) sont prévus à Vienne. Les frais d'hébergement lors de ces séjours seront pris en charge.