CENTRALE LYON ENISE - PhD Matériaux composites 316L/HfC obtenus par procédé hybride atomisationséchage/sphéroïdisation plasma RF : élaboration, consolidation par SPS et L-PBF, caractérisation microstructurale et mécanique

Thèse dans le domaine du développement.

Les composites à matrice métallique acier inoxydable / carbure réfractaire suscitent un intérêt croissant pour des applications en environnements physiques et chimiques sévères : composants de moteurs aéronautiques, équipements de production d'énergie, blindages thermiques. Ces matériaux combinent la ductilité et la résistance à la corrosion de la matrice austénitique 316L avec la dureté élevée et la stabilité thermique du carbure d'hafnium HfC (Tf = 3 900 °C).

La fabrication de ces composites par mélange de poudres conventionnel se heurte cependant à des verrous persistants : ségrégation des phases liée aux écarts de densité et de taille entre particules, agglomération des renforts nanométriques, et distribution inhomogène du HfC dans la matrice. Il en résulte des microstructures hétérogènes avec des porosités localisées, et donc des propriétés mécaniques macroscopiques en deçà du potentiel théorique de ce matériau.

Cette thèse se propose de lever ces verrous en fabriquant des poudres composites à l'échelle des particules, par un procédé hybride original combinant atomisation-séchage et sphéroïdisation par plasma radiofréquence (RF). À notre connaissance, aucun travail publié ne décrit ce système 316L/HfC élaboré par cette voie.

La thèse s'appuie sur des résultats préliminaires encourageants obtenus sur le système 316L/Al₂O₃, dont les travaux ont fait l’objet d’une publication scientifique. Elle bénéficie du soutien de partenaires industriels des secteurs de l'aéronautique et de la défense, dont les lettres d'intérêt attestent des débouchés applicatifs directs de ces travaux.

Cette thèse s’intéressera à l’effet de la proportion de HfC dans le mélange de poudres sur la mise en œuvre de ce type de matériau composite particulaire et sur le comportement mécanique résultant. La démarche scientifique s’articulera ainsi autour de trois axes complémentaires :

• Élaboration des poudres composites : Optimisation de la formulation des suspensions colloïdales composites et des paramètres d'atomisation-séchage. L’enjeu réside dans la dispersion homogène des particules de 316L et HfC les unes par rapport aux autres afin d’obtenir des granules composites homogènes en termes de répartition des particules de 316L vis-à-vis des particules de HfC. Une étude approfondie de la dispersion des particules des deux matériaux et des propriétés rhéologiques des suspensions adéquates sera à mener. Sphéroïdisation par plasma RF et analyse des transformations de phases aux interfaces 316L/HfC lors du cycle de fusion-solidification rapide. L’enjeu de cette étape est donc de garder l’homogénéité de microstructure obtenue lors de l’atomisation-séchage. Une caractérisation des poudres à chacune des étapes sera nécessaire : morphologie et microstructure (MEB, tomographie-X), granulométrie, coulabilité, composition chimique.

• Consolidation par SPS et L-PBF : Optimisation des paramètres de frittage flash (température, pression, durée) et de fusion laser sur lit de poudre (puissance, vitesse, stratégie de balayage). Identification des défauts microstructuraux — porosités, fissures, ségrégation aux joints de grains, phases secondaires indésirables.

• Caractérisation microstructurale et mécanique : Analyse des interfaces par MEB-FEG, MET et spectroscopie EDX/EELS. Mesure des contraintes résiduelles par DRX. Étude du comportement mécanique, de la tenue en température et de la résistance à la corrosion en milieu agressif.