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Mastère Spécialisé AIMove: Artificial Intelligence and Movement in Industries and Creation

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Olivier Remy, third year student of the Corps des Mines

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[POURVU] Analyse du couplage transformation de phase et endommagement en conditions anisothermes par la méthode des champs de phase: cas du cyclage thermique dans les revêtements de diffusion.

Analysis of the phase transformation and damage coupling in anisothermal conditions by the phase field method: case of thermal cycling in diffusion coatings.

Proposition de thèse

Spécialité

Mécanique

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

MAUREL Vincent

Co-encadrant

AMMAR Kais

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactVincent MAUREL
Date de validité

01/10/2020

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

revêtement de diffusion, oxydation, transformation de phase, revêtement de diffusion, couplage mécanique/diffusion/endommagement, morphologie des phases

phase transformation, phase field, diffusion coating, phase morphology, mechanic/diffusion/damage coupling, oxidation

Résumé

Pour les applications hautes températures (par exemple barrière thermique), on utilise comme couche de passivation des revêtements de diffusion (Ni,Pt)Al ou plus récemment des revêtements dits gamma-gamma' où seul le Pt est utilisé en apport sur un superalliage base Ni. Ces revêtements sont le siège de transformations de phases couplées aux conditions de chargement relevant de la fatigue thermo-mécanique en condition oxydante [1]. L'analyse de la diffusion comme seul moteur de transformation de phase ne permet ni de reproduire les cinétiques de transformation observées expérimentalement [2] ni a fortiori de tenir compte des couplages mécaniques/endommagement dans ces transformations. En effet, l'endommagement par écaillage d'un oxyde de croissance modifie considérablement les transformations de phase. De plus, le désaccord dilatométrique entre oxyde, revêtement, substrat et les différentes phases en présence conduit aux modifications de la cinétique et de la localisation des transformations de phase probablement pilotées par le couplage mécanique/diffusion (ou encore germination-croissance de phase).
Les outils de champs de phase, efficaces pour l'analyse du couplage oxydation/mécanique doivent permettre de lever ces verrous [3]. Les résultats expérimentaux disponibles montrent la complexité des morphologies des phases et l'extrême rugosité des surface induites par le couplage cyclage thermique et oxydation. L'approche par champs de phase est particulièrement adaptée à la description de l'évolution morphologique des phases et la cinétique associée. L'approche proposée intègrera un modèle de diffusion à plusieurs éléments utilisant des potentiels adaptées, une équation de champ de phase caractérisant l'oxydation et un couplage direct avec la mécanique (comportement élasto-visco-plastique endommageable).

Pour parvenir à une telle modélisation, cette étude devra lever les verrous scientifiques suivants:
• améliorer la robustesse des couplages forts mécanique/transformation de phase pour des cas complexes (multicomposants, multiphasés, anisotherme, non-linéarité mécanique);
• réaliser l'interfaçage avec les bases de données pour traiter les cas anisothermes pour des alliages complexes;
• optimiser les temps de calcul (remaillage, réduction de modèles...);
• comprendre les couplages transformation de phase/chargement thermo-mécanique observés dans les revêtements de diffusion en condition anisotherme;

For high temperature application (eg thermal barrier coatings), diffusion coatings are often used to protect Ni based superalloys from detrimental effect of high temperature exposure. Complex phase transformations occur in these coatings as a function of applied thermo-mechanical loadings [1]. To account for strong coupling between mechanical loading, thermal loading paths and microstructure, modeling phase transformation could not only be based on diffusion analysis [2]. For instance, oxide spallation could strongly modify oxidation and diffusion, and subsequently phase transformation kinetic.
Phase field analysis, are straightforward to model mechanic-oxidation coupling [3]. This could offer solution for a global scheme of strong mechanic/diffusion/damage coupling analysis.

Experimental results for diffusion coatings show the complexity of phase morphology and their strong evolution during anisothermal loading. Phase field approach is promising to account for both phase morphology and kinetic of transformation modeling. The proposed analysis will integrate several elements (and their own potential), phase field for oxidation description and a direct coupling to mechanical field (for elasto-visco-plastic and damage behavior).

The aim of the project is to answer scientific challenges:
• improving the robustness of strong mechanical/phase transformation coupling for complex cases (multicomponent and multiphased materials, anisothermal loading, non-linear mechanical behavior)
• building of an interface between phase field model and thermodynamic database
• optimizing the computation time (including remeshing, model reduction...)
• understanding of phase transformation/thermo-mechanical loading coupling observed in diffusion coatings for anisothermal loading
The project will sequentially address the following key-points:
• state-of-the-art for coupling model
• phase transformation model by CALPHAD method, accounting for real composition; sensistivity analysis and model reduction for diffusion coefficient;
• phase transformation model by phase-field approach for anisothermal loading;
• application to diffusion coating case: coupling damage to phase field analysis.

Contexte

/

Encadrement

Directeur de thèse : Vincent Maurel
Co-Encadrant : Kais AMMAR
Lieu : Centre des Matériaux MINES ParisTech (91 Evry)

Profil candidat

Pour être admis en doctorat, le candidat doit être titulaire d'un diplôme national de master ou d'un autre diplôme conférant le grade de master (diplôme d'ingénieur, diplôme étranger équivalent…), à l'issue d'un parcours de formation établissant son aptitude à la recherche.
Les candidats seront sélectionnés après entretien devant un jury évaluant leur aptitude à la recherche et l'adéquation de leur formation et connaissances avec le sujet de thèse proposé. De solides connaissances scientifiques, une première expérience en recherche (stage 4 mois minimum), une forte motivation pour la recherche, un bon niveau en anglais seront exigés (minimum B2).
Le dossier de candidature doit comporter :
• une lettre de motivation comportant le projet professionnel du candidat
• un curriculum vitae détaillé mentionnant études, stages de recherche effectués, diplômes avec date d'obtention, expérience professionnelle, axes de recherche envisagés
• un relevé de notes du cursus antérieur (cycle ingénieur et/ou master)
• une ou plusieurs lettres de recommandation...
• une attestation du niveau d'anglais.
• pour un étudiant non francophone, un niveau A2/B1 en français (référentiel européen) est recommandé à son entrée en doctorat
• pour les étudiants non titulaires d'un diplôme national de master recherche, tous documents attestant les qualifications de l'étudiant en matière de formation par la recherche (attestations stages de recherche avec résumé du mémoire, recommandations, publications…)
• une copie de carte d'identité ou passeport

Les pièces au format pdf sont à envoyer à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr au plus tard le 8 juin
SEULES LES CANDIDATURES ADRESSÉES PAR E-MAIL SERONT PRISES EN COMPTE

To be admitted to a doctorate, the candidate must hold a national master's degree or another diploma conferring the master's degree (engineering diploma, equivalent foreign diploma, etc.), following a course of training establishing his research aptitude.
Applicants will be selected after interview before a jury assessing their research aptitude and the adequacy of their training and knowledge with the proposed thesis subject. Strong scientific knowledge, a first research experience (internship 4 months minimum), a strong motivation for research, a good level in English will be required (minimum B2).
The application must include:
• a motivation letter including the candidate's professional project
• a detailed curriculum vitae mentioning studies, research internships carried out, diplomas with date obtained, professional experience, research axes envisaged
• a transcript of marks from the previous course (engineer and / or master cycle)
• one or more letters of recommendation ...
• a certificate of English level.
• for a non-French speaking student, an A2 / B1 level in French (European standard) is recommended when entering a doctorate
• for students who do not hold a national research masterÂ's diploma, all documents attesting to the studentÂ's qualifications in research training (research internship certificates with summary of the dissertation, recommendations, publications, etc.)
• a copy of identity card or passport

The documents in pdf format must be sent to recruitment_these@mat.mines-paristech.fr no later than June 8.

ONLY THE APPLICATIONS ADDRESSED BY E-MAIL WILL BE TAKEN INTO ACCOUNT

Références

[1] Sallot, Pierre, et al. 'Microstructure evolution of a platinum-modified nickel-aluminide coating during thermal and thermo-mechanical fatigue.' Metallurgical and Materials Transactions A46.10 (2015): 4589-4600.
[2] An, T. F., et al. 'Effect of the ?–?-Al2O3 transformation in scales on the oxidation behavior of a nickel-base superalloy with an aluminide diffusion coating.' Oxidation of Metals 54.3-4 (2000): 301-316.
[3] V de Rancourt, 'Modelling the oxidation of polycrystalline austenitic stainless steels using a phase field approach coupled with mechanics', thèse Mines ParisTech, 2015

Type financement

Concours pour un contrat doctoral

Partenariat/contrat

2 sujets parmi les 5 sujets ci-dessous seront sélectionnés après concours sur audition des candidats :
Analyse du couplage transformation de phase et endommagement en conditions anisothermes par la méthode des champs de phase: cas du cyclage thermique dans les revêtements de diffusion.
Encadrement Kaïs Ammar, Vincent Maurel, Samuel Forest
Effet du procédé sur la microstructure et les propriétés de l'acier inoxydable 316L élaboré par fabrication additive
Encadrement : Sylvain Dépinoy, Jérôme Crépin
Vers une nouvelle génération de poudres pour la projection cold spray: enrobage de particules de polymères par des particules métalliques ou d'oxydes métalliques.
Encadrement : Jean-François Hochepied, Francesco Delloro
Effets polycristallins sur l'interaction entre déformation et endommagement : mesures 4D et calculs EF de micro/structures
Encadrement: Thilo Morgeneyer, Henry Proudhon
Etude multi-échelles des mécanismes thermo-mécaniques du frottement.
Encadrement : Vladislav Yastrebov, Cristian Ovalle

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