Sujet :
Développement de revêtements ultra réfractaires pour la protection de matériaux composites – Etude du procédé de projection plasma et évaluation du comportement à des températures supérieures à 2000 C
Contexte :
Certaines applications, telles les composants de moteurs de fusée ou des pièces des véhicules de rentrée atmosphérique, demandent des matériaux capables de défier des températures extrêmes, supérieures à 2000 °C, pendant des durées relativement courtes de l’ordre de quelques minutes. Les composites fibreux tels les C/C, C/SiC ou C/C-SiC sont de bons candidats en tant que matériaux de structure. Face aux atmosphères de fonctionnement agressives, incluant la présence d’oxygène ou de vapeur d’eau, une des solutions est de les protéger via l’application de revêtements à leur surface.
Souvent associés au carbure de silicium, les matériaux ultra-réfractaires (en anglais UHTC, Ultra High Temperature Ceramics), qui se caractérisent par des températures de fusion supérieures à 2500-3000 °C et comprennent en particulier les borures, carbures et nitrures des métaux de transition de la colonne IV A, sont proposés. Relativement peu étudié dans l’état de l’art pour la mise en forme de ces matériaux par rapport à des techniques de métallurgie des poudres, le procédé de projection plasma présente de façon manifeste de nombreux atouts. Parmi ceux-ci, peut être citée sa capacité à réaliser des revêtements à microstructures variées à base de matériaux à haut point de fusion, d’épaisseurs ajustables, de plusieurs centaines de microns jusqu’à quelques millimètres, et ce sur des pièces de géométries variées.
Objectif de la thèse :
Dans le cadre précédemment défini, le travail de thèse consistera à mettre à profit la projection plasma en termes de diversités de compositions projetables et de microstructures et/ou d’empilements de différentes couches de façon à obtenir des systèmes substrats/revêtements performants pour résister à des températures supérieures à 2000 °C.
En ce qui concerne la composition du revêtement, des questions telles la nécessité de la présence du SiC et l’évaluation d’ajouts visant à l’amélioration de la résistance à haute température, voire à la définition de compositions originales, seront étudiées. Un autre objectif sera la prise en compte de l’adéquation du revêtement avec le ou les substrats envisagés (contraintes résiduelles, adhérence, compatibilité thermo-mécanique). Egalement, la caractérisation, l’analyse du comportement et la définition des limites d’utilisation des matériaux à des températures supérieures à 2000 °C, constitueront un axe important. L’ensemble des résultats permettra l’établissement de corrélations entre propriétés des systèmes substrat/revêtement et comportement à haute température. Après l’étude sur substrats plans, l’application des revêtements les plus prometteurs sur des pièces présentant des géométries d’intérêt pourra être évaluée.
Déroulement de la thèse :
La première phase de l’étude consistera à identifier, à travers une étude bibliographique, une, voire plusieurs, association de matériaux susceptibles de répondre à la problématique complexe de la protection de matériaux composites dans des environnements sévères associant haute température et atmosphère oxydante ou corrosive. Seront considérés des critères de sélection tels l’adhérence du revêtement au substrat, la réactivité éventuelle des phases en présence, le caractère protecteur de la couche oxyde formée, la limitation de la quantité de phases de faible viscosité aux températures visées.
La thèse sera ensuite divisée en trois parties avec des itérations possibles. Dans un premier temps, il sera question de mettre en forme, par projection plasma, les matériaux identifiés en prenant soin d’en adapter les microstructures (taux de porosité, taille, quantité et morphologie des différents matériaux). La deuxième phase consistera à caractériser les revêtements obtenus en termes de microstructures et de propriétés thermo-mécaniques. Une attention particulière sera accordée à l’adaptation des propriétés des revêtements aux différents substrats considérés. Des couches d’accroche pourront ainsi être évaluées. Une partie dédiée à la modélisation du comportement thermo-mécanique des systèmes substrat-revêtement sera d’une aide précieuse pour orienter les choix et appréhender la partie suivante dédiée aux tests du comportement des matériaux à des températures supérieures à 2000 °C (tests sous flux plasma, four solaire). Des diagnostics permettant d’analyser les phénomènes qui interviennent lors de l’oxydation des ultra-réfractaires pourront être développés.
La thèse sera principalement réalisée au sein du CEA Le Ripault. Ponctuellement, des déplacements pourront être effectués sur le site de l’Université de rattachement. Le sujet convient à un profil de candidat associant des connaissances théoriques solides en matériaux et procédés, avec un attrait pour la recherche appliquée. Sujet pluridisciplinaire, cette thèse se caractérise par un fort volet expérimental renforcé par un aspect modélisation et permettra le développement de compétences liées aux procédés, aux matériaux composites, à la réactivité et au comportement thermo-mécanique des matériaux, aux moyens de diagnostics pour des tests en conditions extrêmes.
Directeur de thèse et école doctorale :
BALAT-PICHELIN Marianne
balat@promes.cnrs.fr
ED Énergie environnement (Université Perpignan)
Encadrant :
QUET Aurélie
CEA/Le Ripault – BP 16 – 37260 Monts
Tél. : 02 47 34 40 00 – aurelie.quet@cea.fr