Thèse de doctorat (H/F) - Etude de la tenue mécanique aux impacts et optimisation de revêtements soumis à des conditions tribologiques sévères

Description du Poste

Sujet De Thèse

Contexte, problématique et objectifs

Mots clés : Revêtements - Impacts à faible énergie - Endommagement - Frottement sec - Essais tribologiques - Usure - Modélisation semi-analytique - Dialogue expérimentation/modèle

Des études menées en conditions de frottement sévères pour SAFRAN Aircraft Engines (SAE) - caractérisées par des vitesses de glissement et des pressions normales élevées, combinées à un chargement quasi-instantané - représentatives de celles rencontrées dans la liaison pied d’aube/rotor d’un turboréacteur 1, 2, ont mené à la détérioration de la surface de contact, dépendant de plusieurs propriétés physiques et mécaniques (oxydation, usures adhésive et abrasive …) et ont mis en évidence l’apparition de fissures localisées.
Dans le cadre du projet Multi Arc Oxydation (MAO) entrepris en collaboration avec SAE et l’IRT M2P 3, 4, celles-ci se propagent préférentiellement à l’interface revêtement/substrat, dans le cas de matériaux massifs en alliage de titane (Ti6Al4V) recouverts de dépôts protecteurs (MAO). Ce phénomène compromet l’efficacité du procédé d’amélioration des propriétés de surface pour cette application spécifique.
L’enjeu de cette thèse est de développer des essais discriminants permettant d’orienter efficacement le choix des revêtements. Ces essais, simples et économiques, seront réalisés en amont des tests de frottement afin de sélectionner les revêtements les plus prometteurs avant d’engager des essais tribologiques plus spécifiques, coûteux et complexes, reproduisant des conditions de contact réelles. L’approche adoptée s’articulera autour d’une approche mettant en exergue le dialogue expérimentation/modèle, couplant phases expérimentales et modélisation des phénomènes mis en évidence.
Dans un premier temps, il s’agira de soumettre divers revêtements à un protocole expérimental de test simples, reproductibles et peu coûteux, permettant d’évaluer leur tenue mécanique avant d’engager des essais tribologiques plus complexes et représentatifs des conditions de service. Ainsi, les revêtements seront évalués par des essais d’impact réalisés à l’aide d’un banc balistique instrumenté. Un projectile en acier ou en tungstène sera projeté à vitesse contrôlée sur des éprouvettes thermorégulées. Cette configuration expérimentale permettra de caractériser différents mécanismes d’endommagement (déformation plastique, fissuration, décohésion revêtement/substrat ou densification) en fonction du niveau d’énergie appliqué. Des impacts répétés, localisés sur une même zone ou distribués en réseau, seront également étudiés afin d’explorer d’éventuels phénomènes de fatigue mécanique. La pertinence et la fiabilité de ce dispositif expérimental ont déjà été validées à travers plusieurs collaborations de recherche menées entre 2023 et 2025 avec Safran Tech, Safran Aircraft Engines et Safran Ceramics. Il sera complémenté par moyen d’analyse d’Emission Acoustique (EA), technique de contrôle non-destructif consistant en la mesure et l’interprétation de la signature acoustique de mécanismes d’endommagement 5. Les données recueillies lors des essais d’impact seront exploitées en parallèle pour développer la modélisation de l’endommagement dynamique des revêtements, sur la base d’une approche micro-macro 6, qui interagira avec le protocole expérimental dans le but d’établir des critères énergétiques d’activation des mécanismes d’endommagement.
La synergie entre résultats expérimentaux et théoriques de la phase de caractérisation des revêtements à l’endommagement causé par impact devra aboutir à l’établissement de critères de sélection avant la mise en œuvre, dans un second temps, de campagnes de frottement. Les échantillons présentant différents types et degrés d’endommagement, ainsi que ceux demeurant intacts, seront retenus pour les essais tribologiques. Ces derniers seront réalisés en frottement sec à l’aide d’un tribomètre bille/pion-disque (RTEC500). Ils permettront de déterminer le coefficient de frottement, les taux d’usure, ainsi que les mécanismes d’usure dominants. L’intégration d’un analyseur de débris sur le tribomètre offrira en outre la possibilité de suivre, en temps réel, l’évolution des efforts de contact et la production de particules d’usure (troisième corps).
Au cours des essais sur le tribomètre RTEC500, les données expérimentales recueillies seront dédiées au développement de la modélisation semi-analytique du processus de frottement sec dans les conditions tribologiques de l’étude. Elle apportera un approfondissement et une meilleure maîtrise des phénomènes thermomécaniques intervenant au cours de ces interactions tribologiques spécifiques. En effet, le confinement du contact lors d’un essai rend l’accès à l’évolution des mécanismes d’endommagement difficile, voire impossible. De ce fait, l’unique disponibilité de la lecture post-mortem ex-situ justifie la conception d’aide à la compréhension de la tenue à l’usure du revêtement testé. Pour cela, l’approche théorique pourra s’appuyer sur l’expérience acquise par l’équipe de thermomécanique du contact rapide du LEM3 en termes de modélisation semi-analytique du frottement sec.
L’équipe développe un modèle thermomécanique 6-7 dont la démarche de couplage des problèmes mécanique et thermique permettra, à partir de la morphologie à l’échelle microscopique et la géométrie 3D du contact, des propriétés thermo-physiques des matériaux en présence et des conditions de frottement (vitesse, force normale et géométrie de la surface hybride) lors des essais tribologiques, la détermination des réponses mécaniques (contrainte de cisaillement et pression de contact locales) et thermiques (températures locales et partage du flux de chaleur généré par la dissipation de l’énergie de frottement).
Bien que cette approche n’ait été appliquée jusque-là que pour des cas de frottement à grande vitesse, elle peut être superposable aux petites vitesses de glissement imposées sur le tribomètre RTEC, à condition d’y apporter l’accommodation et les compléments adéquats. Pour cela, une représentation précise de l’aire de contact bille/surface structurée au cours des essais de frottement sera nécessaire. La caractérisation géométrique du contact sera menée par une estimation basée sur la théorie du contact de Hertz en élasticité et/ou des modèles existants de comportement élastoplastique à l’abrasion et à l’indentation (ploughing) 8-9. De plus, une prise en compte de l’usure adhésive du contact devra compléter la modélisation à travers l’implémentation d’une formulation énergétique [10] dans son algorithme. Les différents modules constitutifs du modèle de frottement (mécanique, thermique, énergétique de couplage et d’usure) seront optimisés par recalage répétés des résultats théoriques sur ceux des essais tribologiques tout au long du processus de caractérisation tribologique des revêtements. En outre, la modélisation du contact bille/pion-disque devra être menée suivant deux approches complémentaires : frottement à deux corps (éjection des débris) et frottement à trois corps (recirculation des débris dans l’interface) 11-12. Ces deux comportements ont déjà été observés et mis en évidence dans le cadre de la thèse de Pavlik 13. Une fois de plus, le dialogue Expérimentation-Modèle consistera à confronter les profils d’usure réel et théorique et à valider le modèle développé.

Bibliographie :
1 Chassaing G., Pougis A, Philippon S, Lipinski P, Meriaux J, Faure L. : Initiation of adhesive wear during frictional interaction at very high velocity for a Ti6Al4V tribopair. Proc 13th World Conf. Titan, pp. 5–7, (2016)
2 Chassaing G, Faure L, Philippon S, Coulibaly M, Tidu A, Chevrier P, et al. : Adhesive wear of a Ti6Al4V tribopair for a fast friction contact, Wear, vol. 320, pp. 25–33, (2014)
3 Marquer M., Philippon S, Faure L., Chassaing G., Tardelli J., Demmou K. : Influence of two APS coatings on the high-speed tribological behavior of a contact between titanium alloys. Tribology International, 136 :13-22, 2019
4 Bahr H-A, Fischer G, Weiss H-J. : Thermal-shock crack patterns explained by single and multiple crack propagation. J Mater Sci, vol. 21, pp. 2716–20, (1986)
5 Thomas Le Gall. Simulation de l'émission acoustique : Aide à l'identification de la signature acoustique des mécanismes d'endommagement. Matériaux. Thése. Université de Lyon, 2016. Français.
6 Atiezo M. K., Chen W., Dascalu C.: Loading rate effects on dynamic failure of quasi-brittle solids: Simulations with a two-scale damage model. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, vol. 100, pp. 269-280, 2019.
7 Coulibaly M., Chassaing G., Philippon S.: Thermomechanical coupling of rough contact asperities sliding at very high velocity. Tribology International, Vol. 77, pp. 86-96, 2014.
8 Coulibaly M., Chassaing G. : Thermomechanical modelling of dry friction at high velocity applied to a Ti6Al4V- Ti6Al4V tribopair. Tribology International, Vol. 119, pp. 795-808, 2018.
9 Mishra T., de Rooij M., Shisode M., Hazrati J., Schipper D. J.: Analytical, numerical and experimental studies on ploughing behaviour in soft metallic coatings. Wear, Vol. 448-449, 2020.
10 Bousselham A.: Caractérisation mécanique de matériaux hétérogènes par indentation instrumentée : dialogue modèle/expérience. Thèse de l’Université de Lille, soutenue le 8 décembre 2021.
11 Fouvry S., Liskiewicz T., Kapsa P., Hannel S., Sauger E.: An Energy Description of Wear Mechanisms and Its Applications to Oscillating Sliding Contacts. Wear, 255(1–6), pp. 287–298, 2003.
12 Godet M.: Third-bodies in tribology. Wear, 136(1), pp. 29–45, 1990.
13 Descartes S., Desrayaud C., Niccolini E., Berthier Y.: Presence and role of the third body in a wheel–rail contact. Wear, 258(7–8), pp. 1081–1090, 2005.
14 Pavlik A., Marcos G., Coulibaly M., Vincent J., Czerwiec T., Philippon S.: Improving the surface durability of patterned AISI 316LM steels by nitriding treatment for dry friction sliding. Tribology International Vol : 146 : 2020.

Votre Environnement de Travail

Profil du candidat
Le/la candidat(e) devra justifier d’un diplôme universitaire (Ingénieur et/ou Master) ouvrant l’accès à une inscription en thèse de doctorat et devra posséder des connaissances en mécanique des matériaux, en méthodes de caractérisation associées et en techniques expérimentales. La nature multidisciplinaire du projet dans son ensemble (conception d'essais d’impact, mécanique, matériaux et revêtements, modélisation) exigera de solides connaissances théoriques dans les domaines concernés, une certaine autonomie, une capacité à synthétiser les informations, ainsi qu'un sens de la coordination et de la planification. Un vif intérêt pour l'expérimentation et un esprit d'équipe vous permettant de vous intégrer à l'équipe de recherche et d'interagir facilement avec différentes personnes, constituent des atouts supplémentaires pour mener à bien cette thèse.
Une bonne expression orale et écrite en langue anglaise est indispensable.

Equipe d’accueil et partenaires
La thèse se déroulera au sein du LEM3 - Laboratoire d’Etudes des Microstructures et de Mécanique des Matériaux à Metz et s’inscrit dans ses projets de développement et de recherche. Le LEM3 est une unité mixte de recherche (UMR) rattachée à l’Université de Lorraine, au CNRS et aux Arts et Métiers. Son activité est organisée en trois départements scientifiques :
Département 1 MMSV- Mécanique des matériaux, des structures et du vivant ;
Département 2 IMPACT -Ingénierie des microstructures, procédés, anisotropie, comportement ; Département 3 TPRIOM -Thermomécanique des procédés et des interactions outil-matière.
Le/la doctorant(e) sera intégrée au sein de l’équipe Thermomécanique de Contact Rapide (TCR) du département 3 (TPRIOM).

Ecole doctorale
En tant que doctorant, en France, vous serez inscrit à l'Université de Lorraine et ferez partie de l'école doctorale C2MP (Chimie, Mécanique, Matériaux, Physique). Vous aurez l'opportunité de bénéficier d'un large éventail de formations au cours de votre doctorat.

Candidature
Les candidatures devront être envoyées aux encadrants par mail avant le lundi 6 avril 2026. Le mail devra impérativement comprendre un CV, la copie des relevés de note de master/ingénieur (sauf dernier semestre en cours de validation à la date de candidature) ainsi qu’une lettre de motivation en lien avec le poste.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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