LUE - Développement de composites métalliques nano-structurés à base de céramiques dérivées de polymères pour des applications durables en recyclage et santé

Offre de thèse

LUE - Développement de composites métalliques nano-structurés à base de céramiques dérivées de polymères pour des applications durables en recyclage et santé

Date limite de candidature

30-06-2025

Date de début de contrat

01-10-2025

Directeur de thèse

MASSION Roxane

Encadrement

Le projet de recherche proposé est prioritaire pour notre équipe. Il est important pour nous d'accompagner le doctorant durant ces années de thèse pour qu'il puisse accomplir son travail dans les meilleures conditions possibles. Le doctorant suivra tout le long de son parcours des formations au sein même de l'Université de Lorraine pour acquérir des compétences indispensables au bon déroulement de la thèse (anglais, recherche bibliographique, rédaction d'articles, présentations scientifiques, formations complémentaires). Nos doctorants sont automatiquement impliqués dans la vie du laboratoire : présence aux séminaires, organisation de manifestations scientifiques diverses avec les chercheurs confirmés du laboratoire etc.

Type de contrat

Concours pour un contrat doctoral

école doctorale

C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE

équipe

DEPARTEMENT 2 : Ingénierie des Microstructures, Procédés, Anisotropie, ComportemenT (IMPACT)

contexte

Les très grandes déformations plastiques ou hyperdéformations (SPD) sont des techniques performantes pour produire des matériaux aux structures nano-cristallines. Le procédé FALEP (Friction-Assisted Lateral Extrusion Process), développé au LEM3, permet de transformer de la poudre métallique en tôle en une seule étape, avec une consommation énergétique réduite. Par ailleurs, l'intégration de céramiques dérivées de polymères (PDC) comme renfort dans les matrices métalliques a démontré des gains considérables au niveau des propriétés mécaniques, de la stabilité thermique mais également des propriétés antibactériennes. Toutefois, la mise en œuvre à grande échelle de ces procédés et la maîtrise fine des propriétés restent des défis.

spécialité

Mécanique des Matériaux

laboratoire

LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux

Mots clés

Hyperdéformations, procédés, microstructures, textures, composites métalliques

Détail de l'offre

Cette proposition de thèse est basée sur une collaboration active de longue date entre le laboratoire LEM3 de l'Université de Lorraine et les départements de science des matériaux et d'ingénierie mécanique de l'Indian Institute of Science (IISc, première université indienne).
L'objectif scientifique du projet est de produire des feuilles métalliques à partir de poudres en une seule étape. Le traitement de consolidation des métaux Al, Mg, Cu et Ti en poudre sera effectué à l'aide d'une technique d'hyperdéformation récemment mise au point pour produire des métaux nanostructurés à haute résistance en une seule étape. Les problèmes posés par les technologies existantes de traitement des poudres sont (a) l'impossibilité de produire le composant final en une seule étape, de sorte que le traitement en plusieurs étapes devient énergivore et donc économiquement moins viable, (b) la nécessité d'un traitement à haute température induit des changements de phase indésirables, des problèmes de croissance des grains, consomme plus d'énergie, et (c) la mise à l'échelle pour l'industrie des processus ascendants nouvellement proposés n'a pas encore été réalisée. Récemment, un nouveau procédé d'hyperdéformation, connu sous le nom de FALEP (Friction-assisted lateral extrusion process), a été développé au LEM3 de l'Université de Lorraine à Metz, en France. Cette technique permet de produire des feuilles à partir de billettes et d'imposer des contraintes de cisaillement extrêmement importantes (jusqu'à 200) en une seule étape. L'ampleur de la déformation induite par ce procédé est telle que le processus de fragmentation des grains atteint son état de saturation.
Les feuilles produites à partir de la poudre présentent une meilleure résistance que les feuilles produites à partir de la billette en vrac. Une version modifiée de la technique FALEP, connue sous le nom de FALEP cyclique, est en cours de développement à l'Indian Institute of Science, à Bangalore, partenaire de cette proposition. Les résultats préliminaires ont montré que les propriétés de la feuille peuvent être contrôlées en faisant varier la fréquence de traitement. Lorsque la fréquence de traitement est plus élevée, la température de l'échantillon augmente, ce qui réduit l'énergie nécessaire au traitement et permet d'éliminer les traitements thermiques ultérieurs du matériau, réduisant ainsi encore l'énergie totale nécessaire.
Par conséquent, la présente étude se concentre sur la production de feuilles en vrac à partir de poudre en une seule étape et sur le contrôle des propriétés des feuilles en contrôlant la fréquence de traitement. Le travail vise à produire des feuilles nanostructurées en vrac d'aluminium, de magnésium, de cuivre et de titane à leur résistance maximale à partir de leurs poudres respectives.

Keywords

Severe Plastic Deformations, process, microstructures, textures, metal composites

Subject details

This proposal is based on a long standing very active collaboration between the LEM3 laboratory of the University of Lorraine and the Materials Science as well as the Mechanical Engineering Departments of the Indian Institute of Science (IISc, ranked number one university in India). The scientific objective of the project is to produce bulk metallic sheets from powder in a single step. The consolidation processing of powder Al, Mg, Cu & Ti metals will be carried out using a newly developed severe plastic deformation technique for producing nanostructured high-strength metal in a single operation step. The problems with existing powder processing technologies are (a:) not able to produce the final component in a single step, so multistep processing becomes energy intensive and hence economically less viable, (b:) the requirement of high-temperature processing induces undesirable phase changes, grain growth issues, consumes more energy, and (c:) the upscaling for industry of newly proposed bottom-up processes have not been realized. Recently, a new SPD process, known as FALEP (Friction-assisted lateral extrusion process), has been developed in the LEM3 laboratory of the Lorraine University in Metz, France. This technique can produce sheets from billets and can impose extremely large shear strains (up to 200) in a single step. The amount of deformation induced in this process is so high that the grain fragmentation process reaches its saturation state, so the maximum strength of the produced material is reached. Further, microstructure homogeneity is maintained throughout the sample. The advantage of the process is to produce long sheets and readily scalable for industrial production. A recently jointly patented metallurgical process will be applied to improve yield strength without significant loss of ductility and thermal stability of the produced final nanostructured metal. This patent uses simple polymer material mixed with the metal powder then converted into nanoceramics by pyrolysis. The sheets produced from powder show improved strength as compared to sheets produced from bulk billet. A modified version of the FALEP technique, known as cyclic FALEP, is being developed at the Indian Institute of Science, Bangalore, India, the partner of this proposal. Preliminary results have shown that the properties of the sheet can be controlled by varying the processing frequency. At higher frequency processing there is temperature increase in the sample, which reduces the energy needed for the processing, and can eliminate post heat treatments of the material, thus, further reducing the total energy needed. Therefore, the present investigation is focusing on producing bulk sheets from powder in a single step and control the properties of the sheets by controlling the frequency of processing. The work aims to produce bulk nanostructured sheets of aluminum, magnesium, copper and titanium at their highest strength from their respective powders.

Profil du candidat

Les postulants devront être titulaires d'un M2 Recherche ou d'un diplôme d'ingénieur équivalent avec comme spécialité la mécanique ou la science des matériaux. Une expérience dans le domaine expérimental est vivement souhaitable. Une bonne expression orale et écrite en langue anglaise est indispensable.

Candidate profile

Applicants must have a Master's degree in Research or an equivalent engineering degree in the field of material's mechanic. Experimental skills are highly desirable.
A good oral and written expression in English is desired.

Référence biblio

[1] V.Q. Vu, L.S. Toth, Y. Beygelzimer, Y. Zhao, Microstructure, texture and mechanical properties in aluminum produced by friction-assisted lateral extrusion, Materials. 14 (2021) 2465.
[2] A. Pariyar, C.S. Perugu, L.S. Toth, S. V Kailas, Microstructure and mechanical behavior of polymer-derived in-situ ceramic reinforced lightweight aluminum matrix composite, J AlloysCompd.880(2021)160430.https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160430[3] A. Pariyar, L.S. Toth, S. V Kailas, L. Peltier, Imparting high-temperature grain stability to anAlMgalloy,ScrMater.190(2021)141146https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.08.035.
[4] Bindu Gutta, Prashant Huilgol, Chandra S Perugu, Govind Kumar, S Tejanath Reddy, Laszlo S Toth, Olivier Bouaziz, Satish V Kailas, A Polymer-Based Metallurgical Route to Produce Aluminum Metal-Matrix Composite with High Strength and Ductility, Materials, 17(1), 2023, https://doi.org/10.3390/ma17010084