Thèse CD - Etude de la Tenue Mécanique aux Impacts et Optimisation de Revêtements Soumis à des Conditions Tribologiques Sévères. H/F

Université de Lorraine

Établissement : Université de Lorraine
École doctorale : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
Laboratoire de recherche : LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
Direction de la thèse : Laurent FAURE ORCID 0000000166132119
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-15T23:59:59

Des études antérieures menées en conditions de frottement sévères, 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 dû à divers phénomènes physico-chimiques et mécaniques (oxydation, usures adhésive et abrasive, ...) et ont mis en évidence l'apparition de fissures localisées. Dans le cadre du projet Micro Arc Oxydation (MAO) [3, 4], il a été observé que ces fissures se propagent préférentiellement à l'interface entre revêtements protecteurs déposés par MAO et substrats massifs en alliage de titane Ti6Al4V, compromettant l'efficacité du procédé d'amélioration des propriétés de surface.
Dans un premier temps, cette thèse consistera à soumettre divers revêtements à un protocole expérimental d'essais d'impact en conditions de frottement sévère réalisés à l'aide d'un banc balistique instrumenté. Un projectile en acier ou en tungstène sera projeté à vitesse contrôlée sur des éprouvettes thermo-régulées. Ces tests reproductibles et peu coûteux permettront de caractériser différents mécanismes d'endommagement (déformation plastique, fissuration, décohésion revêtement/substrat ou densification) en fonction du niveau d'énergie appliqué. Des impacts répétés 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. L'analyse post-mortem des échantillons se fera notamment au moyen 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 oeuvre, dans un second temps, de campagnes de frottement sec à l'aide d'un tribomètre bille/pion-disque RTEC500. Les échantillons présentant différents types et degrés d'endommagement, ainsi que des spécimens vierges, seront retenus pour ces essais tribologiques. 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. 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, notamment de la tenue à l'usure des revêtements testés. 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 [6, 7]. Cette approche appliquée jusque-là au frottement à grande vitesse devra être superposable aux petites vitesses de glissement imposées sur le tribomètre RTEC. Pour cela, une représentation précise de l'aire de contact bille/surface au cours des essais de frottement sera nécessaire [8, 9].

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. La démarche 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.

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 oeuvre, 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).

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.