Description du sujet de thèse

Caractérisation microstructurale multi-échelle de matériaux réfractaires par microscopie électronique et identification de leurs mécanismes de déformation

Les céramiques réfractaires sont des matériaux dédiés à la réalisation de revêtements pour les réacteurs industriels permettant de contenir et de traiter des matériaux en fusion (acier, aluminium, cuivre ou verre) ou des solides minéraux (clinker de ciment) à très haute température. Ce projet de thèse s’intéresse plus particulièrement à des matériaux réfractaires composites multiphasés utilisés au contact du clinker dans les fours tubulaires rotatifs de cimenterie : ils se composent d’une matrice magnésienne contenant des inclusions de spinelle (MgAl2O4) et/ou d’hercynite (FeAl2O4). Leur particularité principale provient de leur microstructure originale complexe puisqu’une microfissuration multi-échelle est la conséquence d’effets d’interdiffusion hétérogène d’espèces (Fe et Al) conjuguée à une croissance anormale d’agrégats sous l’effet de traitements thermiques particuliers. La présence de cette microfissuration est d’autant plus d’intérêt qu’elle contribue fortement à la résistance aux chocs thermiques de ces céramiques.
L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre dans le cas de ces matériaux réfractaires composites multiphasés, dans quelle mesure la résistance aux chocs thermiques peut être optimisée grâce à la microstructure. Des observations par microscopie électronique couplée à la mesure de champs de déformations locales par corrélation d’images seront réalisées. Il s’agira notamment d’identifier les défauts structuraux (dislocations, maclage, microfissures, etc.) associés en particulier aux processus d’interdiffusion hétérogène et à la croissance cristalline durant les traitements thermiques.
Pour mieux comprendre les liens entre les processus physico-chimiques qui se produisent durant les traitements thermiques, la microstructure résultante et le comportement sous sollicitation mécanique, des observations par microscopie électronique sont, dans un premier temps, nécessaires pour identifier les défauts structuraux (dislocations, maclage, microfissures, etc.) associés en particulier aux processus de transitions de phases et à l’anisotropie d’expansion thermique. Afin de suivre les évolutions structurales et microstructurales et les modifications physico-chimiques, les techniques de caractérisation suivantes seront mises en œuvre au cours de cette thèse :
• la microscopie électronique en transmission haute résolution (METHR) afin de suivre les évolutions structurales
• la diffraction d'électrons rétrodiffusés (en anglais electron backscattered diffraction ou EBSD) permet de mesurer un champ d'orientations cristallographiques au sein de matériaux polycristallins. Il est ainsi possible de caractériser finement la microstructure d’agrégats réfractaires en révélant leur contour, leur orientation cristalline intrinsèque et la présence éventuelle de défauts structuraux. De plus, des cartographies d'orientation cristalline (reconstruction de la microstructure à partir de la mesure des orientations cristallographiques) seront effectuées dans différents états mécaniques pour coupler l’évolution de la microstructure au comportement mécanique. Une quantification des phases et des (micro-)fissures sera mise en œuvre avec une potentielle corrélation entre l’orientation cristalline et la direction de ces fissures.
Dans un second temps, des essais micromécaniques par Wedge-Splitting sous Microscopie Electronique à Balayage sont envisagés, couplés à la corrélation d’images pour obtenir les champs de déformation à l’échelle des phases étudiées. Des champs de déformations localisés dans les phases permettront de mettre évidence les micro-mécanismes mis en jeu responsables de la micro-fissuration. Pour cela, un marquage adapté à la technique de corrélation, à la résolution et à la précision de mesure nécessaire sera développé : des techniques de dépôts par CVD (Chemical Vapor Deposition) de métaux précieux et/ou de marquage par FIB (Focused Ion Beam) seront testées pour d’obtenir des motifs de grilles ou des mouchetis optimisés d’images pour obtenir les champs de déformations locales et détecter l’apparition des fissures. De plus, une étude métrologique de la qualité de la mesure de déplacement et de déformation sous MEB sera mise en œuvre pour être compatible avec les faibles niveaux de déformation mis en jeu. Les défauts d’images MEB liées à l’instabilité du faisceau seront évalués et des stratégies de correction seront proposées.

Contexte de travail

Au CNRS, au sein du laboratoire IRCER (Institut de Recherche sur les Céramiques - UMR 7315), ce projet de thèse s’intègre au projet « THEFRAMIC» (tenue aux chocs thermiques de CÉRamiques réfractaires, caractérisation de la MIcrostructure et analyse microméCAnique) qui a été déposé dans le cadre de l’AAP région 2025.
De plus, il s’articule parfaitement avec le projet ANR PRCI franco-autrichien NanOX-ML (Nanostructure evolution in Oxide materials at high temperature investigated with advanced X-ray scattering and Machine Learning based data analysis) démarré au printemps 2024 au travers de la thèse en cotutelle avec l’université de Leoben (en Autriche) qui concerne la caractérisation de matériaux à microstructure similaire et l’utilisation d’équipements expérimentaux communs. Enfin, l’apport de l’expertise du laboratoire PPrime en termes de développement de stratégies de corrélation d’images devrait permettre de perfectionner encore davantage la précision des mesures des champs de déformation des échantillons testés sous contraintes.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.