Thèse Modélisation et Simulation du Procédé de Projection Plasma de Suspension Contribution à la Compréhension du Traitement Physique de la Suspension H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Université de Limoges
École doctorale : Sciences et Ingénierie
Laboratoire de recherche : Institut de Recherche sur les Céramiques
Direction de la thèse : GILLES MARIAUX ORCID 0000000286350671
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-08T23:59:59

La projection plasma de suspension permet d'obtenir des revêtements avec des microstructures fines et variées répondant à des applications exigeantes qui émergent au niveau industriel comme par exemple, des barrières thermiques de nouvelle génération pour l'aéronautique. Dans ce procédé, la suspension liquide contenant les particules submicroniques du matériau à déposer est injectée dans un jet de plasma thermique pour être fragmentée, évaporée libérant des particules submicroniques individuelles ou agglomérées qui sont alors accélérées et fondues et vont impacter et s'étaler sur la pièce à revêtir pour former le dépôt. La maitrise du procédé nécessite la compréhension des mécanismes complexes et interdépendants qui régissent le traitement de la suspension et la construction du revêtement.

Cette compréhension passe par la simulation du procédé en fonction de ses paramètres opératoires par un jumeau numérique, depuis la génération du jet de plasma jusqu'à la construction du dépôt. Les laboratoires IRCER et TREFLE de l'I2M se sont associés pour faire avancer cette problématique qui intéresse fortement la société Safran, leader international pour la réalisation de dépôts sur pièces aéronautiques. Ces travaux de modélisation sur la formation du jet de plasma, son développement turbulent, le traitement de la suspension et la construction du dépôt ont donné lieu à un premier projet et qui se poursuit avec le support de Safran et de la région Nouvelle-Aquitaine.

Le travail de ce doctorat consistera à modéliser le comportement des particules submicrométriques au sein d'une goutte de suspension déjà fragmentée et soumise au flux de chaleur et au cisaillement de l'écoulement plasma et dont le liquide porteur s'évapore, se déforme et recircule en prenant en compte la diffusion et les forces sur/entre particules, et ce, de façon à prédire le nombre de particules résultant, leur taille voire leur forme, une goutte pouvant possiblement conduire à la naissance des plusieurs agrégats.

La projection plasma de suspension permet d'obtenir des revêtements avec des microstructures fines et variées (colonnaires, denses, ...) répondant aux exigences d'applications qui émergent au niveau industriel comme par exemple, des barrières thermiques de nouvelle génération pour l'aéronautique ou des électrolytes solides de piles à combustibles.
Dans ce procédé, la suspension liquide contenant les particules submicroniques du matériau à déposer est injectée dans un jet de plasma thermique pour être fragmentée et évaporée, libérant les particules submicroniques individuelles ou agglomérées qui sont alors accélérées et fondues et vont impacter et s'étaler sur la pièce à revêtir pour former un dépôt. Sa microstructure, et donc ses propriétés d'usage, dépendent d'un grand nombre de paramètres opératoires relatifs à la torche plasma, à la suspension, au substrat et à la cinématique torche-substrat. Aussi, la complexité de ce procédé impose-t-elle de nombreux tests pour réaliser un revêtement à propriétés contrôlées sur une pièce de forme complexe, ce qui freine son adoption par les industriels. La maitrise du procédé nécessite la compréhension des mécanismes complexes et interdépendants qui régissent le traitement de la suspension et la construction du revêtement. Cette compréhension passe par la simulation du procédé par un jumeau numérique incluant la génération du jet de plasma par une approche MagnétoHydoDynamique (MHD) (1), le développement turbulent du jet avec l'injection et la fragmentation hydrodynamique de la suspension (2), le traitement des gouttes de suspension par le plasma (3), l'impact des particules fondues sur le substrat et la construction du dépôt (4) en fonction de ses paramètres opératoires.

L'étude proposée s'inscrit dans le projet Azurite cofinancé par la région, l'IRCER et Safran. Ce projet de jumeau numérique est porté par l'IRCER, l'Institut de Mécanique et d'Ingénierie (I2M) de Bordeaux, la société Safran (2ème équipementier aéronautique, leader pour la réalisation de dépôts sur pièces aéronautique). Cette étude consiste à poursuivre les travaux de modélisation débutés dans le cadre d'un précédent projet et qui a permis de poser les bases des modèles (1 à 4) et de développer en particulier le modèle n°3.

Le travail de thèse proposé vise à comprendre et modéliser le traitement thermique et physique d'une goutte de suspension de différentes tailles entièrement fragmentée par l'écoulement plasma (modèle 3) pour déterminer le nombre et la taille ou distribution en tailles des agglomérats et leur traitement thermique sous différentes conditions de cisaillement et d'enthalpie spécifique du plasma. Le modèle correspondant devra donc prendre en compte les phénomènes contrôlant le comportement des particules submicroniques au sein de la goutte et devra, à termes, être intégré au modèle 2 pour prévoir les paramètres des particules à l'impact pour un grand nombre de gouttes subissant des conditions plasma différentes et permettant d'alimenter le modèle de formation du revêtement (4) de façon prédictive.

Par une analyse dimensionnelle, A. Chergui, doctorant à l'IRCER, a sélectionné les principaux phénomènes contrôlant le comportement des particules submicroniques au sein de la goutte et leur enchaînement : fragmentation hydrodynamique, recirculation interne du liquide, évaporation intense ... , puis diffusion des particules submicroniques (phénomène le plus lent). Son travail actuel consiste à modéliser et implémenter progressivement ces différents phénomènes au sein d'une gouttelette entièrement fragmentée représentée par un domaine 2D axisymétrique déformable dans le code de CFD Ansys_Fluent (ou code maison) sous différentes conditions de plasma réalistes fournies par le modèle 2. Le travail de thèse proposé consiste :

1)à poursuivre ces travaux de modélisation de A. Chergui et d'implémentation en prenant par exemple en compte les forces d'attraction/répulsion inter particulaires qui devraient permettre de prédire l'agglomération sélective des particules menant éventuellement à plusieurs agglomérats distincts, la possible formation d'une coque viscoélastique et sa déformation du fait des forces en présence, et finalement la forme, le nombre et la taille des agglomérats et leur état. Une comparaison en taille et forme avec des prélèvements de matériau en différents points du jet de plasma sera faite à chaque enrichissement du modèle. Des développements 3D sont également à prévoir en plus des modèles 2D axisymétriques

2)à implémenter le modèle précédent sous la forme d'une fonction utilisateur représentant les phénomènes les plus significatifs et donc rapide d'exécution dans le code relatif à l'écoulement plasma (modèle 2). Ceci permettra de modéliser un grand nombre de gouttes de parcours et traitements différents au sein du plasma et de fournir les paramètres à l'impact des particules sur le substrat pour alimenter le sous-système 4 à partir des paramètres opératoires torches et suspensions. Les vitesses d'impacts simulées seront validées par des mesures de PIV.

3) à interagir avec les doctorants responsables des modèles 2 et 4