001-These-MENRT-2008-LTDS

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Ecole Doctorale : Ecole Doctorale Matériaux de Lyon, EDML (ED 34) Nom et label de l’unité de recherche : Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes LTDS, UMR CNRS ECL ENISE ENSMSE 5513 Localisation : 36 avenue Guy de Collongue 69134 Ecully cedex Directeur de thèse : Stéphane BENAYOUN Co-directeurs de thèse : Christophe DONNET, Stéphane VALETTE Contacts : stephane.valette@ec-lyon.fr, stephane.benayoun@ec-lyon.fr Titre de la thèse : Etude de la structuration de surface par laser femtoseconde pour l’optimisation des propriétés tribologiques d’alliages métalliques Description du projet : L’objectif de cette étude est d’optimiser, par traitement laser femtoseconde, la fonctionnalité de surfaces dans le but d’améliorer leur comportement tribologique (durabilité, usure, lubrification). L’apport nouveau de ce travail résidera dans le couplage topographie de surface / microstructure. Pour répondre au caractère pluridisciplinaire du sujet, l’accent sera mis sur la nécessité de mettre en place des relations fortes entre les connaissances d’un point de vue « laser-génération de surfaces » d’une part et comportement tribologique des surfaces d’autre part. Ce lien s’appuiera sur les expériences déjà acquises dans ce genre de collaboration au niveau de la région Rhône-Alpes, via notamment les travaux de doctorat de Stéphane VALETTE et Louis MOURIER. Pour atteindre l’objectif de cette étude, nous proposons une investigation en trois parties : ...
Publié le : samedi 24 septembre 2011
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Ecole Doctorale :
Ecole Doctorale Matériaux de Lyon, EDML (ED 34)
Nom et label de l’unité de recherche :
Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes LTDS,
UMR CNRS ECL ENISE ENSMSE 5513
Localisation :
36 avenue Guy de Collongue
69134 Ecully cedex
Directeur de thèse :
Stéphane BENAYOUN
Co-directeurs de thèse :
Christophe DONNET, Stéphane VALETTE
Contacts :
stephane.valette@ec-lyon.fr
,
stephane.benayoun@ec-lyon
.fr
Titre de la thèse :
Etude de la structuration de surface par laser femtoseconde pour l’optimisation des
propriétés tribologiques d’alliages métalliques
Description du projet :
L’objectif de cette étude est d’optimiser, par traitement laser femtoseconde, la fonctionnalité de
surfaces dans le but d’améliorer leur comportement tribologique (durabilité, usure, lubrification).
L’apport
nouveau
de ce travail résidera dans le
couplage
topographie de surface / microstructure. Pour répondre au
caractère pluridisciplinaire
du sujet, l’accent sera mis sur la nécessité de mettre en place des relations
fortes entre les connaissances d’un point de vue
« laser-génération de surfaces »
d’une part et
comportement tribologique des surfaces
d’autre part. Ce lien s’appuiera sur les expériences déjà acquises
dans ce genre de collaboration au niveau de la région Rhône-Alpes, via notamment les travaux de doctorat
de Stéphane VALETTE et Louis MOURIER.
Pour atteindre l’objectif de cette étude, nous proposons une investigation en trois parties :
Génération de surfaces fonctionnelles par laser femtoseconde
(LaHC Plateforme technologique
« laser femtoseconde ») : L’interaction laser-matière en régime femtoseconde met en jeu des temps
d’interaction suffisamment faibles pour que les endommagements associés à l’ablation soient, pour la
plupart des applications, négligeables [1,2]. Ce caractère, à l’origine du comportement
athermique
de
l’ablation dans le cas des métaux, est la justification première de l’utilisation d’un rayonnement laser
femtoseconde pour générer des microcavités de géométrie contrôlée. Corollairement, en bordure
d’irradiation, le matériau conserve ses propriétés initiales. Dans ces cas, le régime d’interaction se fait au
dessus du seuil d’ablation des matériaux. En travaillant en dessous du seuil d’ablation, il a été montré la
possibilité de modifier de façon conséquente les propriétés des matériaux irradiés – propriétés de tenue à la
corrosion ou propriétés mécaniques [3,4].
Pour ce travail de thèse, deux types de configurations seront étudiés : d’une part au-delà du seuil
d’ablation pour la génération de microcavités et, d’autre part, en deçà de ce seuil pour la modification
structurale et la génération de rugosités micrométriques, voire nanométriques. Des travaux sur la mise en
forme de faisceau seront effectués afin de proposer de nouvelles géométries au niveau des cavités et de
nouvelles topographies au sens large.
En plus des moyens du laboratoire LaHC, l’utilisation de la plateforme technologique « laser
femtoseconde » du Pôle Optique Rhône-Alpes permettra de structurer cette étude autour des deux
laboratoires concernés.
Caractérisation des surfaces générées (LTDS) :
Les caractérisations topographiques des surfaces
seront réalisées par
interférométrie
et par
microscopie à force atomique
. Elles concerneront aussi bien les
cavités générées par ablation que les transformations topographiques aux échelles micrométriques et
nanométriques obtenues en dessous du seuil d’ablation (
« ripples »).
La caractérisation structurale sera
effectuée par
diffraction des rayons X
, couplée à une analyse par
microscopie électronique à balayage
en
premier lieu et
en transmission
en second lieu.
L’estimation des contraintes résiduelles, dont le rôle est fondamental dans le comportement
tribologique, sera également effectuée par diffraction des rayons X. La caractérisation des propriétés
mécaniques des surfaces modifiées par laser sera également réalisée par des tests de nanoindentation.
Proposition ADR 2007 du Cluster de Recherche MACODEV
Comportement tribologique des surfaces (LTDS) :
Le comportement de tenue à l’abrasion des
surfaces fonctionnalisées sera réalisé à l’aide de tests de type
« ball-cratering »
, permettant également le
suivi de l’évolution du coefficient de frottement ainsi que de tests de rayage à l’échelle classique ou sur
nanoindenteur. Le développement récent d’un tribomètre alternatif à forte charge permettra également de
quantifier le comportement des surfaces en frottement (coefficient de frottement et usure). Enfin, des tests
de lubrification en régime élastohydrodynamique mais également en régime limite seront effectués sur le
dispositif EHD du laboratoire permettant le suivi in situ des épaisseurs de films de lubrifiant, qui se révèle
être un outil pertinent pour la compréhension des phénomènes de lubrification [5,6].
L’utilisation des différents moyens précités va permettre la mise en place d’une véritable synergie,
au niveau régional, des deux communautés. Les développements récents apportés sur nombre de dispositifs
vont permettre de réaliser des expérimentations qui n’auraient pu être possibles dans ce cadre il y a quelques
années (nouveaux tribomètres, contraintes résiduelles par diffraction des rayons X, …). Le spectre
extrêmement large des moyens mis à disposition pour cette étude se justifie amplement par le caractère
fortement pluridisciplinaire du sujet.
Connaissances et compétences requises :
De façon générale, ce sujet de thèse requiert un caractère fortement pluridisciplinaire. Les
connaissances requises concernent la physique et la science des matériaux pour la compréhension des
mécanismes engendrés à la suite de l’interaction laser d’une part et la mécanique du contact pour ce qui est
des analyses tribologiques des surfaces modifiées par le traitement laser.
Le sujet fait appel à une large culture scientifique et est orienté sur l’expérimentation. L’étudiant
devra donc avoir un goût prononcé pour les problématiques scientifiques multidisciplinaires et la pratique
expérimentale.
Une expérience dans le domaine de la tribologie serait un plus.
Rémunération :
Montant de l’allocation MENR et possibilité de demander un monitorat soit 1985 € brut /mois.
Références bibliographiques
[1] R. Le Harzic, S. Valette, Appl. Phys. Lett.,
80
3886-3888 (2002)
[2] Valette, S., R. Le Harzic, et al., Applied Surface Science
247
(1-4): 238-242 (2005)
[3] P. Steyer, S. Valette et al., Mat. & Tech.
94
(2006)
[4] S. Valette, P. Steyer et al., Appl. Surf. Sc.
252
4696-4701 (2006)
[5] L. Mourier, D. Mazuyer, et al. Tribology International,
39
:1745-1756, 2006
[6] L. Mourier, D. Mazuyer, et al. Wear, in press, 2007.
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