CD - Etude de la tenue mécanique aux impacts et optimisation de revêtements soumis à des conditions tribologiques sévères.

Offre de thèse

Date limite de candidature

15-05-2026

Date de début de contrat

01-10-2026

Directeur de thèse

FAURE Laurent

Encadrement

Direction de thèse : Directeur (L. FAURE - MCF HDR) 50% / Co-directeur (M. COULIBALY - MCF) 50% Encadrement scientifique : S. PHILIPPON - PU Des réunions hebdomadaires seront organisées avec les encadrants et le (la) doctorant(e)

Type de contrat

Concours pour un contrat doctoral

Candidater à cette offre

école doctorale

C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE

équipe

DEPARTEMENT 3 : Thermomécanique des Procédés et des Interactions outil-matière (T-PRIOM)

contexte

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.

spécialité

Sciences des Matériaux

laboratoire

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

Mots clés

Revêtements, Essais tribologiques, Impacts à faible énergie, Endommagement, Modélisation semi-analytique, Dialogue expérimentation/modèle

Détail de l'offre

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 œuvre, 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].

Keywords

Coatings, Tribological tests, Low energy impacts, Damage, semi-analytical modeling, Experiment / model dialog

Subject details

Previous studies conducted under severe friction conditions, representative of those encountered in the blade root/rotor interface of a turbojet engine [1, 2], have shown deterioration of the contact surface due to various physicochemical and mechanical phenomena (oxidation, adhesive and abrasive wear, etc.) and have highlighted the appearance of localized cracks. Within the framework of Micro Arc Oxidation (MAO) project [3, 4], it has been observed that these cracks preferentially propagate at the interface between MAO-deposited protective coatings and bulk Ti6Al4V titanium alloy substrates, thereby compromising the effectiveness of this surface property enhancement process. Initially, this PhD work will consist of subjecting various coatings to an experimental protocol involving impact tests under severe friction conditions, performed using an instrumented ballistic testing rig. A steel or tungsten projectile will be launched at controlled velocity onto thermo-regulated specimens. These reproducible and low-cost tests will make it possible to characterize different damage mechanisms (plastic deformation, cracking, coating/substrate decohesion, or densification) as a function of the applied energy level. Repeated impacts will also be investigated in order to explore possible mechanical fatigue phenomena. The relevance and reliability of this experimental setup have already been validated through several research collaborations conducted between 2023 and 2025 with Safran Tech, Safran Aircraft Engines, and Safran Ceramics. Post-mortem analysis of the samples will notably be performed using Acoustic Emission (AE), a non-destructive testing technique consisting of measuring and interpreting the acoustic signature of damage mechanisms [5]. The data collected during the impact tests will also be exploited in parallel to develop modeling of the dynamic damage of the coatings, based on a micro-macro approach [6] that will interact with the experimental protocol in order to establish energetic activation criteria for the various damage mechanisms. The synergy between the experimental and theoretical results obtained during the characterization phase of coating damage caused by impact should lead to the establishment of selection criteria before subsequently implementing dry-friction test campaigns using an RTEC500 ball-on-disk tribometer. Samples exhibiting different types and degrees of damage, as well as pristine specimens, will be selected for these tribological tests. These experiments will make it possible to determine the coefficient of friction, wear rates, and the dominant wear mechanisms. In addition, the integration of a debris analyzer on the tribometer will provide the possibility of monitoring, in real time, the evolution of contact forces and the generation of wear particles. During the tests performed on the RTEC500 tribometer, the experimental data collected will be used to develop semi-analytical modeling of the dry-friction process under the tribological conditions of the study. This will provide a deeper understanding and better control of the thermomechanical phenomena occurring during these specific tribological interactions, particularly with regard to the wear resistance of the tested coatings. For this purpose, the theoretical approach may rely on the experience acquired by the fast contact thermomechanics team of LEM3 in terms of semi-analytical modeling of dry friction [6, 7]. This approach, which has so far been applied to high-speed friction, will need to be extended to the low sliding speeds imposed on the RTEC tribometer. To achieve this, an accurate representation of the ball/surface contact area during the friction tests will be required [8, 9].

Profil du candidat

Le (la) candidat(e) devra disposer de solides connaissances en mécanique des matériaux notamment en comportement dynamique, ainsi que d'une bonne maîtrise des outils de modélisation et de programmation scientifique.
Un goût prononcé pour l'expérimentation et un esprit d'équipe constitueraient un atout complémentaire.

Candidate profile

Applicants should demonstrate solid expertise in materials mechanics, with a focus on dynamic behavior, and be skilled in modeling tools and scientific programming. A strong interest in experimental work and a collaborative spirit would be highly valued.

Référence biblio

Références :
[1] Chassaing G., Pougis A, Philippon S, Lipinski P, Meriaux J, Faure L. : Initiation of adhesive wear during frictional interaction at very high velocity for a Ti6Al4V tribopair. Proc 13th World Conf. Titan, pp. 5–7, (2016)
[2] Chassaing G, Faure L, Philippon S, Coulibaly M, Tidu A, Chevrier P, et al. : Adhesive wear of a Ti6Al4V tribopair for a fast friction contact, Wear, vol. 320, pp. 25–33, (2014)
[3] Marquer M., Philippon S, Faure L., Chassaing G., Tardelli J., Demmou K. : Influence of two APS coatings on the high-speed tribological behavior of a contact between titanium alloys. Tribology International, 136 :13-22, 2019
[4] Bahr H-A, Fischer G, Weiss H-J. : Thermal-shock crack patterns explained by single and multiple crack propagation. J Mater Sci, vol. 21, pp. 2716–20, (1986)
[5] Thomas Le Gall. Simulation de l'émission acoustique : Aide à l'identification de la signature acoustique des mécanismes d'endommagement. Matériaux. Thése. Université de Lyon, 2016. Français.
[6] Atiezo M. K., Chen W., Dascalu C.: Loading rate effects on dynamic failure of quasi-brittle solids: Simulations
with a two-scale damage model. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, vol. 100, pp. 269-280, 2019.
[7] Coulibaly M., Chassaing G., Philippon S.: Thermomechanical coupling of rough contact asperities sliding at very high velocity. Tribology International, Vol. 77, pp. 86-96, 2014.
[8] Coulibaly M., Chassaing G. : Thermomechanical modelling of dry friction at high velocity applied to a Ti6Al4V- Ti6Al4V tribopair. Tribology International, Vol. 119, pp. 795-808, 2018.
[9] Mishra T., de Rooij M., Shisode M., Hazrati J., Schipper D. J.: Analytical, numerical and experimental studies on ploughing behaviour in soft metallic coatings. Wear, Vol. 448-449, 2020.
[10] Bousselham A.: Caractérisation mécanique de matériaux hétérogènes par indentation instrumentée : dialogue modèle/expérience. Thèse de l'Université de Lille, soutenue le 8 décembre 2021.
[11] Fouvry S., Liskiewicz T., Kapsa P., Hannel S., Sauger E.: An Energy Description of Wear Mechanisms and Its Applications to Oscillating Sliding Contacts. Wear, 255(1–6), pp. 287–298, 2003.
[12] Godet M.: Third-bodies in tribology. Wear, 136(1), pp. 29–45, 1990.
[13] Descartes S., Desrayaud C., Niccolini E., Berthier Y.: Presence and role of the third body in a wheel–rail contact. Wear, 258(7–8), pp. 1081–1090, 2005.
[14] Pavlik A., Marcos G., Coulibaly M., Vincent J., Czerwiec T., Philippon S.: Improving the surface durability of patterned AISI 316LM steels by nitriding treatment for dry friction sliding. Tribology International Vol : 146 : 2020.