1 Frittage micro-ondes de matériaux céramiques.

Directrice de thèse : Dominique GOEURIOT D. Goeuriot

Co-encadrant : Sébastien SAUNIER S. Saunier

Lieu : Ecole des Mines de Saint-Etienne

Centre SMS-dept. MPE / Laboratoire Claude Goux, UMR CNRS 5146 158 Cours Fauriel 42023 SAINT-ETIENNE

Financement : Allocation de recherche de l’ENSMSE (CDD de 36 mois)

Depuis quelques années, une équipe composée d’enseignants-chercheurs et techniciens développe le frittage micro-ondes de matériaux céramiques, une étape clé de la fabrication de ces produits par métallurgie des poudres (définition voir*). Cette technique, bien connue du grand public, puisqu’elle permet de cuire les aliments très rapidement (un poulet en trois minutes !) permet aussi de cuire des matériaux très réfractaires, comme l’alumine (point de fusion 2050°C), ceci à 1500 °C en 10 minutes ! Que l’on cuise un aliment ou un matériau céramique, le problème réside dans la maîtrise du procédé pour une bonne homogénéité du produit final : c’est ce qui freine l’industrialisation de ce procédé. Notre équipe, qui a des contacts avec les industriels (contrats directs et subventionnés par ANR), agit sur plusieurs axes pour la compréhension du frittage MO : développement de l’instrumentation, de la modélisation et de la méthodologie nécessaires pour atteindre notre objectif. Nous vous proposons de participer à cette aventure technique et scientifique : mettre au point et modéliser le procédé de frittage micro-ondes des matériaux céramiques oxydes et non-oxydes. Le travail proposé est de nature essentiellement expérimentale. Il fera appel à des notions variées en sciences des matériaux.

*Définition : la métallurgie des poudres (mise en forme de pièces crues suivi d’une densification par frittage) permet de faire des pièces plus ou moins complexes sans usinage ultérieur pour l’industrie des transports (bougies d’allumage, pièces sous forte sollicitation mécanique ...), de la santé (prothèses articulaires, dentaires ..) ou de la sécurité (blindage, absorbeurs de choc…). Elle s’inscrit donc dans une démarche d’économie durable.

Profil du candidat : master recherche de préférence en science des matériaux

1-1 Microwave sintering of ceramics

In recent years, our team composed of faculty members and technicians developed the microwave sintering of ceramics, a key step in the manufacture of ceramic products by powder metallurgy ( see definition *). This technique, well known to the general public, as it allows you to cook food very quickly (a chicken in three minutes !) can also cook very refractory materials such as alumina (melting point 2050°C), this at 1500°C in 10 minutes ! Whether you cook a food or a ceramic material, the problem lies in controlling the process for a good homogeneity of the final product ; this fact slows the industrialization. Our team, which has contacts with industry (direct contracts and funded by ANR), acts on several axes for understanding the microwave sintering : development of instrumentation, modeling and methodology necessary to achieve our goal. We invite you to participate in this technical and scientific adventure : developping and modelling the process of microwave sintering of ceramics (oxides and non-oxides). The proposed work is essentially experimental. It will use various notions of materials science.

*Definition : The powder metallurgy (forming parts starting from powders, followed by sintering-densification) used to make parts more or less complex without further processing. The applications are for the transportation industry (spark plugs, mechanical parts ...), Health (bone or dental prothesis ..) or safety (armour, shock absorbers ...). It is therefore in a process of sustainable economy.

Candidate Profile : Masters of Science degree, preferably in Materials Science

2 Optimisation d’alliages d’aluminium pour moteurs automobiles.

Directeur de thèse : Helmut KLOCKER H. Klocker

Co-encadrant : Andras BORBELY A. Borbely

Lieu : Ecole des Mines de Saint-Etienne

Centre SMS-dept. MPM / Laboratoire Claude Goux, UMR CNRS 5146 158 Cours Fauriel 42023 SAINT-ETIENNE

Financement : Allocation de recherche de l’ENSMSE (CDD de 36 mois)

Suites aux contraintes environnementales, le challenge actuel de l’industrie du transport est la réduction de poids des véhicules. Actuellement des nouveaux alliages légers, à haute performance, en aluminium sont développés pour les moteurs. Le principe de ces nouveaux alliages consiste dans l’association de particules dures de seconde phase et d’une matrice molle. L’objectif de la thèse est le développement d’un modèle de prédiction des propriétés mécaniques de ces matériaux hétérogènes en couplant les observations tomographiques de la microstructure avec une analyse statistique et une modélisation par éléments finis de celle-ci. Le candidat devra être fortement intéressé par des méthodes de caractérisation expérimentale avancées ainsi que par la simulation par éléments finis. Il/elle doit avoir une bonne connaissance en mécanique et matériaux. Le travail sera fait en collaboration étroite avec l’université technique de Vienne et l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) à Grenoble. Le doctorant va acquérir une expérience solide en méthodes modernes de caractérisation des matériaux (MEB et micro-tomographie) et dans le domaine de la modélisation mécanique des matériaux.

2-1 Optimization of aluminum alloys for automotive engines.

Due to environmental issues, the today’s challenge in the transport industry is weight reduction. Currently, new high performance, light weight aluminium alloys for automotive engines are developed. The concept of these new alloys is based on the mixture of hard second phase particles and a soft matrix. The objective of the thesis is the development of a modeling framework for the prediction of mechanical properties of these heterogeneous materials by coupling tomographic reconstructions with statistical analysis of the revealed structures and finite element simulations. It is expected that the successful candidate is highly interested in both advanced experimental techniques and mechanical analysis. She/he must have a good knowledge in computational mechanics. The work will be done in collaboration with technical University of Vienna and the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble. The PhD student will earn a serious experience in materials modern advanced characterization (SEM and micro-tomography) as well as in mechanical modeling of material behavior.

3 Optimisation du procédé de Friction Stir Welding Etude des conditions thermomécaniques au niveau du contact outil matière

Directeur de thèse : C. Desrayaud

Co-directeur : E. Feulvarch

Lieu : Ecole des Mines de Saint-Etienne

Centre SMS-dept. RMT / Laboratoire Claude Goux, UMR CNRS 5146 (en collaboration avec l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Saint-Etienne, Laboratoire LTDS, UMR CNRS 5513)

158 Cours Fauriel 42023 SAINT-ETIENNE

Financement : Allocation de recherche de l’Ecole Doctorale ED SIS 488 (CDD 36mois)

Le procédé de friction Stir welding ou soudage par frottement malaxage a été breveté en 1991 par The Welding Institute (TWI). Ce procédé permet, sans fusion, avec des coefficients de joint proches de 90 % de créer des soudures, formables à froid et plus légères que les assemblages rivetés. Il s’applique aux alliages d’aluminium aéronautiques dont les nuances 2198 au Lithium, ont été retenues dans le contexte du projet « AirWare » par AIRBUS sur le futur porteur A350. Les conditions de contact entre l’outil et la matière soudée restent l’un des derniers domaines à maîtriser dans le contexte de ce procédé qui fait intervenir un pion rotatif animé d’une vitesse de déplacement parallèle à l’interface à souder Cet outil échauffe (et ramollit) la matière par frottement puis la malaxe de part et d’autre de l’interface à souder qui disparaît au profit d’une zone de microstructure très fine aux propriétés mécaniques (statiques, cycliques et dynamiques) plus élevées que celles obtenues par tous les procédés de soudage classiques. Les phénomènes thermomécaniques à proximité de l’outil frottant restent un des aspects délicats du procédé dont la compréhension et la modélisation pourraient aider à une amélioration notoire des conditions de soudage, en vue d’une industrialisation notamment. On se propose pour cette raison, dans le cadre de cette thèse une étude locale des conditions de contact entre l’outil frottant et la matière qui génère en sous surface un cisaillement extrême entraînant :
  Des sollicitations thermomécaniques intenses que l’ENISE modélisera à l’aide d’outils numériques spécifiques et suffisamment robustes étant donné les gradients thermiques et mécaniques locaux ainsi que les risques de glissement partiels du matériau soudé
  Des transformations microstructurales (précipitation, recristallisation qui seront étudiées par l’Ecole des Mines de Saint-Etienne, LCG), liées à ces mêmes sollicitations, affectant directement la rhéologie locale du matériau soudé, donnée d’entrée primordiale du modèle développé par l’ENISE (LTDS).

Profil : On recherche un candidat disposant de compétences en modélisation numérique dans le domaine thermomécanique et /ou Sciences des Matériaux (Master « Mécanique » ou « Matériaux »). Le travail à réaliser pourra être adapté en fonction du profil.

4 Suivi et contrôle par capteurs optiques in-situ de la fabrication de pièces structurales en composites par procédés directes, du type injection ou infusion de polymère

Directeur de thèse : A. Vautrin

Co-directeur : [E. Marin, LabHC ULM]

Lieu : Ecole des Mines de Saint-Etienne

Centre SMS-dept. MPE / Laboratoire Claude Goux, UMR CNRS 5146 (en collaboration avec l’Université Jean Monnet, Laboratoire Hubert Curien)

158 Cours Fauriel

42023 SAINT-ETIENNE

Financement : Allocataire de recherche de l’ENSMSE (CDD 36 mois)

Sujet : Les procédés de fabrication de pièces composites par voie directe, ou procédés dits LCM : Liquid Composite Moulding, injection de préformes fibreuses par un polymère liquide, se développent rapidement car ils permettent de fabriquer des structures fonctionnellement complexes. La qualité des pièces dépend des phases d’écoulement de la résine à travers la préforme et de polymérisation. Il importe donc de suivre les paramètres fondamentaux que sont : le flux de polymère, le champ de température, le degré de réticulation et les déformations résiduelles.

Le travail proposé a pour objectif, en s’appuyant sur des résultats récemment obtenus, de stabiliser la méthodologie mise au point, de mettre en œuvre les capteurs dans des cas spécifiques se rapprochant de cas type de pièces. L’objectif est de mieux comprendre les phénomènes en comparant les résultats à des simulations numériques par EF et en analysant les écarts expérience/simulation sur la base d’une analyse d’incertitude.

Les étapes clefs du travail sont les suivantes : · bibliographie sur les procédés directe, les outils disponibles pour la modélisation et l’instrumentation par capteurs optiques ; · définition des cas types à étudier et réalisation des moules, prise en main de l’équipement expérimental ; · réalisation de simulations préliminaires et finalisation des essais ; · réalisation des injections/infusion instrumentées ; · comparaison avec les simulations et analyse des écarts expérience/modèle en fonction de différents paramètres (temps de remplissage, température, degré final de réticulation, déformations résiduelles) ; · synthèse des résultats.

Profil : Le candidat recruté sera titulaire d’un master appartenant au champ des sciences pour l’ingénieur, il possèdera un goût pour l’approche expérimentale et la simulation numérique. Il s’insérera dans le département Mécanique et Procédés d’Élaboration du centre SMS.