Thèse Vieillissement Accéléré de Revêtements Multicouches Phases Max - Sic H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Perpignan Via Domitia École doctorale : Energie et Environnement Laboratoire de recherche : PROcédés, Matériaux et Energie Solaire Direction de la thèse : Ludovic CHARPENTIER ORCID 0000000321535648 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-05T23:59:59 La technique de dépôt HTCVD (Dépôt Chimique en phase Vapeur à Haute Température) permet de réaliser des revêtements multicouches Ti3SiC2-SiC sur des substrats métalliques Kanthal APMT (alliage à base Fe contenant 21%at. Cr, 5%at. Al et 3%at. Mo). L'intérêt du Kanthal APMT est sa résistance au fluage et aux chocs thermiques, l'intérêt du revêtement est d'optimiser la résistance à l'oxydation au-delà de 1000°C (la présence de Si favorisant la formation d'une couche protectrice de SiO2) et les propriétés optiques (la présence de Ti améliorant les propriétés optiques du matériau après oxydation).
L'objectif de la thèse est de pouvoir caractériser le vieillissement de ces assemblages après plusieurs cycles d'exposition sous flux solaire concentré à plus de 1000 °C. En effet, le principal point faible des revêtements obtenus par HTCVD est leurs tenues thermomécaniques, ces revêtements se fissurant après plusieurs cycles de montée et descente en température à cause de la différence de coefficient d'expansion thermique entre le substrat et le revêtement. Pour pouvoir améliorer l'accommodation entre revêtement et échantillon, une double approche entre modèles et expériences est proposée.
> Approche modélisation
Il s'agit ici de reprendre le modèle précédemment développé sous Matlab par Danying Chen et modifié par Thiane Ndiaye (deux précédentes doctorantes) afin de déterminer le profil de température et des contraintes-déformation au sein du matériau en fonction de la composition du revêtement (nombre de couches, épaisseur des couches Ti3SiC2 et SiC).
> Approche expérimentale
Différents assemblages de matériaux, conçus au laboratoire SIMaP de Grenoble, seront caractérisés sous flux solaire concentré en utilisant l'installation SAAF (Solar Accelerated Ageing Facility) basé au four solaire d'Odeillo permettant de soumettre le matériau à plusieurs cycles de température.
Les contraintes et déformations au sein du matériau pourront être estimées par spectrométrie Raman et Diffraction de rayon X (sin2 phi) effectuées lors de missions au laboratoire SIMaP et permettront d'ajuster le modèle à l'expérience. D'autres outils de caractérisation pourront être utilisés tels que la spectrophotométrie pour la mesure de la réflectivité, effectuée au laboratoire PROMES, permettant de connaître les propriétés optiques du matériau (absorptivité et émissivité dans différentes gammes de longueur d'onde). Les matériaux utilisés pour les récepteurs solaires des centrales à tour doivent répondre à différents critères : résistance à l'oxydation, tenue sous cyclage thermique, résistance au fluage et maintien de propriétés optiques garantissant l'absorptivité maximale du flux solaire incident, en minimisant les pertes thermiques par rayonnement (matériaux sélectifs avec une émissivité minimale). Le projet ANR 2MAC-CSP (2016-2021) a montré qu'un moyen de répondre à ce cahier des charges était de concevoir un matériau composite fait d'un substrat en alliage métallique réfractaire revêtu d'un revêtement céramique, en utilisant les techniques de dépôt hautes températures (HT-CVD) développées au laboratoire SIMaP. Néanmoins, les sollicitations mécaniques dues à l'alternance de cycles de montées et de descentes rapides en température (entre la température ambiante et le point de fonctionnement supérieur à 1000 °C) peuvent être source de fissuration du revêtement céramique. Dans le cadre de ce projet ANR, un modèle utilisant un algorithme génétique a donc été développé pour pouvoir calculer les contraintes et déformation résultant de cette alternance de cycle sur un substrat de TZM (alliage riche en molybdène) avec revêtement d'AlN, en prenant en compte l'oxydation du revêtement lors du palier de température. Les travaux effectués pendant la thèse de Thiane Ndiaye (2023-2026) ont permis de reprendre ce modèle pour l'adapter à des revêtements de SiC déposés sur un alliage Fe-Cr-Al-Mo préoxydé. L'étude expérimentale menée sur le SAAF (Solar Accelerated Aging Facility) a permis de faire subir des cycles de montées et descentes en température sur ses matériaux Fe-Cr-Al-Mo/Al2O3/SiC, d'évaluer les contraintes et déformations au sein de l'empilement (par diffraction de rayons X) pour les comparer aux valeurs obtenues par le modèle. Des endommagements importants ont été relevés sur ce type d'empilement suite aux cyclages sous flux solaire.
D'autre part, le laboratoire SIMaP a pu développer, dans le cadre de la thèse de Jorge Sanchez, des empilements plus complexes à base de couches multiples Ti3SiC2-SiC. Des revêtements multicouches peuvent permettre une meilleure accommodation avec le substrat et donc réduire les dommages mécaniques. De plus, il a été démontré sur des travaux présents que des céramiques mixtes TiC/SiC présentaient d'excellentes propriétés optiques une fois oxydés. La thèse proposée vise donc à étudier l'endommagement sous flux solaire de revêtements multicouches Ti3SiC2-SiC en s'appuyant sur le modèle et les dispositifs expérimentaux existants. Comprendre les mécanismes d'endommagements thermomécaniques de revêtements céramiques lors de cyclage thermique.

Formation de type Ingénieur ou Master 2 (énergie/matériaux). Compétences en modélisation, mécanique des matériaux, thermodynamique et transfert thermique requises.