Mecamat

Sujet de thèse :
Interaction entre les propriétés magnétiques et les paramètres

d’élaboration par projection à froid d’alliages ferromagnétiques
(CHAMAGN)
Mots clés : ferromagnétique, projection à froid, coldspray, modélisation, caractérisation

expérimentale
I. Présentation du laboratoire ICB-PMDM-LERMPS

Depuis le 01 janvier 2017, le LERMPS (Laboratoire d’Etudes et de Recherches sur les Matériaux, les
Procédés et les Surfaces – créé en 1986) est devenu une équipe de l’axe PMDM (Procédés
métallurgiques, Durabilité, Matériaux) du Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB). Il
s’agit d’une Unité Mixte de Recherche du CNRS (UMR 6303). L’équipe est basée sur le site de
Sevenans (90) de l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM). Les principaux axes de
recherche de l’équipe sont :
 Le développement de nouveaux matériaux aux propriétés spécifiques (mécaniques, physiques,
chimiques) permettant de répondre aux exigences du monde applicatif. Cela débute par la
maitrise des matériaux précurseurs (généralement sous forme de poudre) jusqu’à leur mise en
forme principalement par des procédés par voie sèche,
 Le développement de nouveaux procédés de mise en forme des matériaux par voie sèche sur la
base des techniques de projection ou encore de fusion laser sur lit de poudre. Qu’il s’agisse des
optimisations des procédés en eux même voire du développement de nouveaux procédés
hybrides, l’objectif de ces travaux consiste ici non seulement à améliorer les performances des
dits procédés mais aussi les caractéristiques des matériaux alors transformés.
 L’optimisation des propriétés des matériaux alors nouvellement développés tant d’un point de
vue structural qu’à l’échelle des interfaces dès lors que de tels procédés consistent en la
superposition de différentes couches de matière. C’est la qualité de ces interfaces qui
conditionne justement l’ensemble des propriétés finales de ces matériaux jusqu’à leur tenue en
service. La maîtrise de tels éléments sous-entend donc le contrôle des matériaux précurseurs
(maîtrise des poudres) tout comme des procédés de transformation (procédés hybrides).
 La fiabilisation des procédés par le développement d’une Intelligence Artificielle. Initiée à
l’échelle des procédés de projection, la combinaison de divers outils de diagnostic, de simulation
numérique, de contrôle et de caractérisation, permet en effet de construire de réels réseaux
représentatifs des moyens de transformation des matériaux. Fort de tels outils, de nouveaux
développements peuvent alors être envisagés de façon fiable et se déployer vers de nouveaux
domaines applicatifs.
L’objectif général de ces activités est d’atteindre une meilleure maîtrise des structures et des propriétés
des matériaux élaborés afin d’obtenir de nouvelles performances. Les domaines couverts sont très
nombreux compte tenu de la grande diversité des matériaux exploités. En effet, il peut s’agir de
résistance à la corrosion et à l’usure, d’isolation ou de conductivité électrique, de propriétés mécaniques,
de possibilité de mise en forme, etc.
De nombreuses recherches développées au sein du laboratoire sont aujourd’hui appliquées directement
dans l’industrie. Cela permet à nos partenaires de mettre en œuvre, dans leur processus de fabrication,
les innovations nécessaires à la compétitivité concurrentielle. L’équipe ICB-PMDM de l’UTBM met à
1
la disposition de ses partenaires ses moyens et ses savoir–faire dans le cas de prestations industrielles
ou bien de caractérisation. https://lermps.utbm.fr/
II. Contexte et positionnement du sujet

Les alliages ferromagnétiques sont essentiels pour la fabrication de composants électriques tels que les
rotors et les stators, les convertisseurs et les moteurs électriques. L’avantage majeur de ces alliages est
qu’ils permettent de produire un champ électromagnétique capable de générer un mouvement alternatif
ou continu, sans pour autant induire un contact direct dont le principal inconvénient est le frottement
entre les parties impliquées du système. Le coût élevé et la perte de matière des alliages
ferromagnétiques par les procédés de fabrication conventionnels tels que l’usinage ont aussi motivé la
recherche d’autres méthodes de fabrication rentables et plus pratiques en termes de temps de fabrication
et de performance du produit.
Plusieurs tentatives ont été effectuées au cours des dernières années pour établir et développer des pièces
à base d’alliages ferromagnétiques grâce à des procédés de fusion sélective au laser comme la SLM avec
des paramètres laser adéquats. Les principales limites des procédés basés sur le laser sont le temps de
fabrication, les faibles dimensions des pièces. Des défauts comme la porosité et les microfissures sont
fréquemment observés dans les pièces finales. La microstructure des alliages est complètement modifiée
à cause des très hauts gradients de température, passant de la phase nanocristalline à la phase amorphe
et vice versa. Il a également été constaté que les propriétés des matériaux dépendent fortement de l’état
final de microstructure. Avec le changement de phase au cours du procédé SLM, il n’est pas possible de
« contrôler » le changement de microstructure. De plus, le recours à la SLM n’exclut pas la perte de
matière qui se compose principalement de poudre non fondue et contaminée au cours du procédé. Des
études de faisabilité ont été menées en se basant sur le procédé de projection thermique HVOF et qui
ont montré une bonne stabilité thermique des revêtements ferromagnétiques. Cependant, l’étude s’est
limitée aux revêtements monocouches et manque d’être étendue à des pièces de géométrie complexe
[8], [9]. Une perspective qui mérite d’être étudiée serait l’utilisation du procédé Coldspray ou fabrication
additive par projection à froid (CSAM) [5,6,7] pour fabriquer des composants ferromagnétiques. Le
principal avantage de ce procédé est non seulement la fabrication de pièces à une échelle plus importante
mais aussi le maintien du matériau dans son état nanocristallin tout au long de l’opération et donc de
contrôler davantage la qualité et les performances thermomécaniques et magnétiques des composants.
III. Objectifs
Le projet développera la fabrication additive par projection à froid (CSAM) d’alliages ferromagnétiques
et combinera l’étude avec l’optimisation des paramètres du procédé pour aboutir aux meilleures
performances thermomécaniques et magnétiques des alliages. En outre, une relation entre la
microstructure finale et les propriétés thermomécaniques et magnétiques pourrait donc être clairement
identifiée. Pour atteindre ces objectifs, la combinaison de l’expertise expérimentale et numérique est
essentielle. Parce qu’il existe de nombreux paramètres réglables du procédé CSAM, qui pourraient
affecter considérablement la formabilité et la qualité de la pièce finale [1], [2], il est nécessaire d’étudier
leur effet sur le produit final. En outre, le matériau ferromagnétique pourrait être composé de différentes
combinaisons d’alliages métalliques. Par conséquent, les études paramétriques des paramètres du
procédé CSAM et des choix de matériaux pourraient présenter des possibilités illimitées et ne sont pas
réalisables de manière réaliste en s’appuyant uniquement sur les essais. Les phénomènes contrôlant les
propriétés physiques tels que le chauffage, le refroidissement, et la déformation plastique importante se
produisent généralement en une fraction de seconde et impliquent une température élevée [3]. Par
conséquent, ils sont difficilement capturés par les appareils de mesure actuellement disponible. La
modélisation numérique représentative et validée nous permettrait d’examiner les phénomènes
physiques qui ne sont pas capturables dans un essai, et pourrait donc conduire à une compréhension plus
approfondie des aspects matériau qui contrôlent la performance [4]. Pour ces raisons, l’essence de cette
proposition est d’être un projet interdisciplinaire, nécessitant des compétences de haut niveau dans les
2
sciences des matériaux, la fabrication CSAM, la caractérisation thermomécanique et magnétique, et la
modélisation numérique. Ces compétences seront intégrées de manière transparente dans tous les lots
de travail. Par conséquent, nous espérons grâce à ce projet, établir des connaissances fondamentales et
avancées, ainsi que des outils de conception numérique pour aider au développement des matériaux, au
contrôle du procédé et à la conception des composants ferromagnétiques. En outre, ces outils pourraient
être étendus à d’autres études connexes et ne sont pas limités par les systèmes et composants matériels
explorés dans le présent travail. Le projet proposé est centré sur trois domaines différents, où chaque
aspect est dédié à différents lots de travail. La continuité de chaque lot est importante pour le
développement réussi du projet CHAMAGN. Les objectifs scientifiques du projet proposé sont
présentés ci-dessous.
1. Comprendre les phénomènes physiques qui sont générés pendant la fabrication additive par
projection à froid de pièces ferromagnétiques, et qui contrôlent leurs caractéristiques physiques.
2. Évaluer les propriétés mécaniques, thermiques et magnétiques des alliages ferromagnétiques
obtenus par projection à froid et développer une modélisation numérique prédictive basée sur la
physique, permettant la conception de matériaux ferromagnétiques ayant les propriétés
souhaitables
3. Comparer les applications développées à partir du présent projet CHAMAGN et celles
existantes sur le marché et évaluer l’amélioration des performances et de la fiabilité
IV. Profil du candidat et candidature

Le candidat devra avoir un gout pour la caractérisation expérimentale et la modélisation numérique, une
autonomie et des compétences rédactionnelles en français et en anglais. Pour candidater sur cette offre,
merci d’adresser : CV + relevés de notes + lettres de recommandation à :
Sabeur Msolli
Enseignant chercheur
Université de Technologie de Belfort-Montbéliard
Campus de Sevenans - 90010 Belfort cedex
Tél +33 (0) 3 84 58 36 77
sabeur.msolli@utbm.fr.
V. Références liées au projet
[1] S. T. Oyinbo and T.-C. Jen, “Investigation of the process parameters and restitution coefficient
of ductile materials during cold gas dynamic spray (CGDS) using finite element analysis,” Addit.
Manuf., vol. 31, p. 100986, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100986.
[2] A. G. M. Pukasiewicz et al., “Influence of the deposition parameters on the tribological behavior
of cold gas sprayed FeMnCrSi alloy coatings,” Surf. Coatings Technol., vol. 428, p. 127888, 2021,
doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127888.
[3] Y. K. Chae, J. Mostaghimi, and T. Yoshida, “Deformation and solidification process of a super-
cooled droplet impacting on the substrate under plasma spraying conditions,” Sci. Technol. Adv.
Mater., vol. 1, no. 3, pp. 147–156, 2000, doi: https://doi.org/10.1016/S1468-6996(00)00013-9.
[4] A. Fardan, C. C. Berndt, and R. Ahmed, “Numerical modelling of particle impact and residual
stresses in cold sprayed coatings: A review,” Surf. Coatings Technol., vol. 409, p. 126835, 2021,
doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126835.
[5] H.-T. Wang, C.-J. Li, G.-J. Yang, and C.-X. Li, “Cold spraying of Fe/Al powder mixture: Coating
characteristics and influence of heat treatment on the phase structure,” Appl. Surf. Sci., vol. 255,
3
no. 5, Part 1, pp. 2538–2544, 2008, doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.07.127.
[6] R. Maestracci et al., “Deposition of composite coatings by cold spray using stainless steel 316L,
copper and Tribaloy T-700 powder mixtures,” Surf. Coatings Technol., vol. 287, pp. 1–8, 2016,
doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.12.065
[7] C.-H. Ng, S. Yin, R. Lupoi, and J. Nicholls, “Mechanical reliability modification of metal matrix
composite coatings by adding al particles via cold spray technology,” Surfaces and Interfaces,
vol. 20, p. 100515, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100515.
[8] M. Cherigui, W. Li, R. Hamzaoui, V. Ji, N. Fenineche, C. Coddet, “Microstructure and magnetic
properties of FeSiBNbCu-Al cold spray coatings,” The European Physical Journal Applied Physics,
vol. 43, p. 79-86, 2008
[9] M. Cherigui, N. Fenineche, H. Liao, C. Coddet, W. Li, V. Ji, “Cold Spraying Technique to Process
Nanomagnetic Coatings,” ITSC, 1108-1113, 2008

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