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Séminaire PSL - Écosystèmes de médias I Session 4 Partie 4

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Poudres nanostructurées pour le cold-spray

Poudres nanostructurées pour le cold-spray

Nanostructured powders for cold-spray

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur

Directeur de thèse

HOCHEPIED Jean-François

Co-directeur de thèse

JEANDIN Michel

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactJean-François HOCHEPIED
Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

poudres, cold Spray

powders , cold-spray

Résumé

Malgré ses avantages comme le dépôt sur des substrats très variés, le cold spray est encore souvent jugé trop coûteux par les industriels. L'objectif de la thèse est le design rationnel de poudres nanostructurées pour le cold spray afin de rendre ce procédé industriellement attractif, en baissant significativement la quantité de matière à projeter pour des performances de revêtements égales. Le projet de thèse combinera les compétences et moyens du centre en synthèse de particules par chimie douce, en projection cold spray, en caractérisation des matériaux et modélisation des procédés pour mettre au point ce design rationnel dans le cas de projection de cuivre sur aluminium. En aval un partenaire industriel validera ces nouvelles poudres sur son installation cold spray pour fabriquer ses composants électriques, tandis qu'en amont un autre partenaire industriel assurera la production des poudres à coûts concurrentiels sur la base des protocoles mis au point par le doctorant.

In spite of technological advantages as deposition on various substrate natures, the development of cold spray is hindered at industrial level by its expensiveness. The thesis project targets the rational design of nanopowders optimized for cold spray in order to decrease significantly the quantities needed in the coatings while keeping equal performances. The PhD student will perform syntheses of nanostructured particles by soft chemistry, cold spray, coatings characterization and process modelling to develop the rational design of copper particles for cold spray on aluminium. An industrial partner will be in charge of approving these new powders on its own cold spray system to make electric devices, whereas another industrial partner will be in charge of the scale-up of the syntheses to produce powders in kilograms quantities, ensuring the industrial relevance of the adopted methodology.

Contexte

Apparu dans les années 80, le cold-spray est un procédé de revêtement consistant à projeter à froid des particules à très grande vitesse (supersonique) par le moyen d'un gaz sous pression, l'énergie cinétique transformée lors de l'impact assurant la qualité du dépôt. Profitant de la ductilité des particules projetées, ce sont surtout des revêtements métalliques qui sont produits par cette technologie, sur des substrats de nature variée. Comparée à ses concurrents, la projection à froid offre des possibilités exceptionnelles comme projeter sur des matériaux sensibles ou produire des composites de matériaux a priori antagoniques, mais permet aussi d'obtenir de bonnes densités de dépôt, une rugosité faible, une bonne adhérence sur le substrat, une bonne cohésion entre particules...Et pourtant, cette technologie peine à se développer au niveau industriel en raison de son coût. Pour les revêtements cuivre sur aluminium qui seront le système modèle de la thèse, un partenaire industriel estime qu'il faudrait diviser les coûts par 3 pour rendre le procédé attractif. Il nous semble illusoire d'espérer produire des poudres de cuivre pour le cold spray trois fois moins cher que celles disponibles commercialement, en revanche il est envisageable d'optimiser les particules pour le dépôt afin de pouvoir en diminuer l'épaisseur tout en conservant les propriétés d'usage et de résistance mécanique des revêtements actuels. Si de nombreux travaux ont cherché à améliorer les paramètres ou équipements des procédés, peu se consacrent à l'effet des caractéristiques dimensionnelles et morphologiques des particules projetées [LI17]. Pourtant les experts s'accordent sur le fait que des particules sensiblement plus petites et de morphologie mieux contrôlée que les poudres du marché (qui sont en général des agglomérats de forme indéfinie), et/ou leur mélange ou enrobage avec des nanoparticules, constituent une piste prometteuse à explorer pour améliorer l'efficacité de dépôt, la cohésion entre particules et réduire la porosité du revêtement [JEA14, HUS15]. Ainsi des propriétés mécaniques, électriques et de résistance à la corrosion répondant au cahier des charges industriel pourraient être obtenues pour des dépôts plus fins qu'actuellement, réduisant significativement les coûts dans la mesure où les procédés de synthèse des particules sont eux-mêmes économiquement raisonnables. Nous prévoyons de produire et de tester de nombreuses 'morphologies' dans la thèse, mais l'idée n'est pas de balayer à l'aveugle les tailles et morphologies des particules mais d'agir en rétroaction avec la modélisation du dépôt sur la base des travaux antérieurs du partenaire académique [DEL17]. Cette modélisation est capitale non seulement pour 'designer' les particules les mieux adaptées mais aussi pour évaluer l'épaisseur de dépôt suffisante pour maintenir les performances des dépôts plus épais actuels, afin de réduire au maximum les coûts. Ainsi notre projet propose une démarche de design rationnel de poudres pour le cold-spray comme clé pour débloquer ses perspectives industrielles.

Encadrement

HOCHEPIED Jean-François, directeur de thèse, Centre des Matériaux
JEANDIN Michel co-directeur, Centre des Matériaux
DELLORO Francesco co-encadrant, Centre des Matériaux
Financement ANR sous réserve (projet NANOCOSPEL) sera connu en juillet

Profil candidat

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.
Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :

Une expérience dans au moins l'un des domaines suivants est souhaitée:
- chimie douce
- métallographie
- simulation numérique

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• Une attestation de niveau d'anglais

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Applicants should supply the following :
a detailed resume
a covering letter explaining the applicantÂ's motivation for the position
detailed exam results
two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
to provide an appreciation of the candidate
Your notes of M1, M2
level of English equivalent TOEIC

to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Résultat attendu

- nouveaux revêtements cuivre sur aluminium plus fins pour des performances identiques.
- nouvelles morphologies de particules de cuivre optimisées pour la projection cold-spray.
- modèle pour le design rationnel de particules optimisées pour le cold-spray transposables à d'autres combinaisons particules/substrats

Objectif

prédiction des propriétés du dépôt en fonction des paramètres du procédé et des descripteurs des particules.
preuve de la faisabilité d'un design rationnel de particules pour le cold spray.

Références

LI17: Li, Y.-J.; Luo, X.-T.; Li, C.-J.: Dependency of deposition behavior, microstructure and properties of cold sprayed Cu on morphology and porosity of the powder. Surface and Coatings Technology 2017, 328, 304-312. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.08.070
JEA14: Jeandin, M.; Rolland, G.; Descurninges, L. L.; Berger, M. H.: Which powders for cold spray? Surface Engineering 2014, 30, 291-298. http://dx.doi.org/10.1179/1743294414Y.0000000253
HUS15: Hussain, T.; Yue, S.; Li, C. J.: Characteristics of Feedstock Materials. In Modern Cold Spray: Materials, Process, and Applications; Villafuerte, J., Ed.; Springer International Publishing: Cham, 2015; pp 73-105. https://doi.org/10.1007/978-3-319-16772-5_3
DEL17: Delloro, F.; Jeandin, M.; Jeulin, D.; Proudhon, H.; Faessel, M.; Bianchi, L.; Meillot, E.; Helfen, L.: A Morphological Approach to the Modeling of the Cold Spray Process. Journal of Thermal Spray Technology 2017. https://doi.org/10.1007/s11666-017-0624-8

Type financement

Financement par crédits ANR

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