Propositions de sujets de these
Etude expérimentale de l'influence des paramètres du procédé de laser cladding sur les caractéristiques métallurgiques des pistes de disques de freins
Experimental determination of the influence of laser cladding processing parameters on metallurgical characteristics of brake disc tracks
Mots-clés
Procédé Laser-Cladding , Approche expérimentale , Poudres, Rupture , Microstructure, Approche locale de la rupture
Laser-Cladding Process , Experimental approach , Powder, Cracking, Microstructure, Local approach to fracture
Résumé
La future norme européenne EURO7 applicable à partir de l'année 2027 impose que les nouveaux véhicules devront respecter un taux maximal d'émission de particules fines au freinage. Renault travaille sur différentes solutions techniques, et notamment sur le hardfacing (durcissement superficiel) des pistes de disques de freins, par un procédé dérivé du laser cladding.
Ce procédé consiste à intégrer un matériau résistant à l'abrasion sur les pistes de freinage par une fusion de poudre composite, projeté à l'aide d'un gaz inerte sous un rayonnement laser. On obtient ainsi un disque brut très résistant à l'abrasion, qu'il faut ensuite rectifier pour qu'il ait les qualités de géométrie exigées sur ces pièces. Ce choix technique constitue une innovation majeure dans le monde automobile, et maitriser son exploitation en grande série est d'une importance critique.
Cette thèse vise à comprendre le comportement des revêtements lors de la fabrication puis de l'utilisation des disques, qui doivent respecter de fortes exigences en usage client, telles que résister aux températures, ne pas être affectés par de la corrosion, procurer un bon niveau acoustique. Il est pour cela nécessaire de connaître les caractéristiques de la couche d'usure (microstructure, propriétés thermophysiques, comportement tribologique en conditions de freinage, résistance aux chocs thermiques) et de maîtriser l'impact des paramètres de réglage du procédé, afin de garantir une excellente maitrise de la qualité en production grande série.
Il conviendra de comprendre le procédé et le comportement des poudres (en particulier leurs propriétés d'absorption vis-à-vis du rayonnement laser) pour définir l'impact des différents paramètres variables sur les caractéristiques de la pièce, de modéliser ce comportement sous formes d'abaques ou de modèles mathématiques, afin de fournir aux concepteurs process des outils d'aide dans le choix des solutions techniques futures. Des recherches bibliographiques sur la technologie ainsi que sur les matériaux retenus sont nécessaires afin de maitriser leurs comportements dans la phase de fabrication du revêtement, mais aussi en usage client sous forte sollicitation (forts freinages, humidité, corrosion, … ) .
L'objectif industriel de la thèse est de permettre au PE Châssis de Renault d'assurer à ses clients une prestation de freinage intacte, avec un niveau d'émission de particules conforme à la législation, en maitrisant les paramètres importants du procédé de revêtement. C'est un sujet de santé publique, lié à une règlementation européenne, et qui entraine le développement d'une véritable innovation industrielle pour une application de grande série.
The future European EURO7 standard applicable from 2027 requires that new vehicles must comply with a maximum emission rate of fine particles during braking. Renault is working on various technical solutions, including the hardfacing of brake disc tracks, using a laser cladding process.
This process consists of integrating an abrasion-resistant material on the braking tracks by melting of a composite powder, projected using an inert gas under a laser beam. This results in a very abrasion-resistant raw disc, which must then be polished so match geometrical requirements. This technical choice is a major innovation in the automotive world, and mastering its mass is critical.
This thesis aims at better understanding the behaviour of coatings during manufacturing of discs, which must meet high requirements in customer use, such as resisting high temperatures and corrosion, and providing a good acoustic level. It is necessary to know the characteristics of the wear layer, and to control the impact of the processing parameters, in order to guarantee excellent quality control in mass production.
It will be necessary to understand the process and the behaviour of powders to define the impact of the various variable parameters on the characteristics of the part, to model this behaviour in the form of abacus or mathematical models, in order to provide process designers with tools to help them choose future technical solutions. A literature survey about the technology, as well as on the selected materials is necessary to control their behaviour in the application phase, but also in customer use under high stress (strong braking, humidity, corrosion, etc.).
The objective of the thesis is to allow the Renault PE Chassis to ensure our customers an intact braking service, with a level of particle emission in accordance with the legislation, by mastering the important parameters of the coating process. It is a subject of public health, linked to a European regulation, and which leads to the development of a real industrial innovation for a large series application.
Contexte
De nombreux travaux ont été menés sur les procédés de fabrication additive, dont le laser cladding, mais rarement avec une vision d'application en très grande série associée à des critères de qualité stricts et exigeants. L'introduction de cette technologie sur les disques de frein pour répondre à la future règlementation est un challenge immense pour les constructeurs automobiles. Ils doivent dans un premier temps maitriser très vite le procédé pour continuer de garantir au client les prestations qu'il attend de son véhicule, et à plus long terme identifier ce que cette technique peut leur offrir comme perspective pour le développement des freins du futur.
La dimension industrielle impose, par la forte cadence, une exigence de maitrise à tout instant de la qualité de production, et par conséquent une connaissance des paramètres qui peuvent influencer les propriétés des matériaux utilisés (comportement tribologique et résistance au choc thermique). La maitrise de la relation cause/effet entre ces paramètres et ces propriétés est l'enjeu industriel essentiel de cette thèse, qui s'appuiera sur une recherche essentiellement expérimentale.
La partie expérimentale sera importante et bénéficiera d'un outil exceptionnel, puisque Renault a investi dans un moyen prototypes de taille industrielle, dans le but de valider la fabrication des pièces et de développer une connaissance fine du procédé. Ce moyen sera installé au Centre Châssis de Renault au Mans et le candidat l'utilisera dans ses recherches afin d'améliorer la compréhension de la relation procédé (en particulier, thermique du procédé)-microstructure et de paramétrer des conditions optimum d'utilisation.
Le candidat aura également accès aux moyens internes de Renault, et notamment les moyens de laboratoire, situés à Guyancourt, et si nécessaire aux moyens d'essais du Mans en complément des moyens du Centre des Matériaux
Cette thèse est la première sur ce sujet dans ce contexte, et le champ des connaissances à acquérir dans le cadre de cette application est très ouvert. Une première phase de travaux visera à lier le paramétrage du processus avec la microstructure des revêtements obtenus puis aux caractéristiques d'usage de ces matériaux . Les résultats orienteront la phase suivante afin de pousser l'étude vers la recherche d'un optimum, en travaillant les caractéristiques des poudres et en faisant des recommandations, le cas échéant, sur les règles de conception du produit.
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L'amélioration des connaissances actuelles sur les caractéristiques microstructurales les plus pertinentes aidera à concevoir de meilleurs paramétrages du procédé. Elle aidera également à développer des outils de conception produit process pour optimiser la fabrication des produits actuels, et aider à en concevoir de nouveaux, dans un contexte de règlementation plus sévère sur les émissions de particules, et d'optimisation de la consommation énergétique et de réduction des émissions de gaz à effets de serre des moyens industriels.
Encadrement
Directeur de Thèse : Anne-Françoise GOURGUES-LORENZON
Co-encadrant : Christophe COLIN
Profil du candidat
Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.
Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : métallurgie, méthodes de caractérisation microstructurales, corrosion sous contraintes, essais mécaniques
Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais
Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.
Prerequisite (specific skills for this thesis): metallurgy, microstructural characterization, corrosion, mechanical testing
Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr
Résultats attendus
Amélioration des connaissances sur les mécanismes physiques en jeu dans la fabrication des disques de frein revêtus par Laser-Cladding, et sur l'impact potentiel de ce procédé sur les propriétés d'usage du produit.
Amélioration de la méthodologie de développement et de recherche de solutions industrielles pour maîtriser et contrôler le procédé. La nouvelle méthodologie sera applicable à un processus en grande série et devra, par exemple, permettre une première anticipation des risques et un traitement des anomalies compatible avec la sécurité du produit pour le client. Elle sera donc utile à la communauté de la métallurgie mécanique.
Amélioration de la conception prédictive du procédé ; développement d'une cartographie de paramètres ou d'un premier modèle capable de prédire les effets des paramètres de laser cladding sur les caractéristiques métallurgiques du disque. Le modèle proposé pourra être utilisé pour de futurs développements de disques de frein, ou de nouvelles familles de poudres ou de substrats (fontes).
Pour le(la) doctorant(e) : solide formation en métallurgie mécanique, en ingénierie des procédés, et en expérimentation sur l'ensemble de la chaîne de valeur procédé-microstructure-propriétés. Ce type de profil est très recherché dans l'industrie, tant en expertise qu'en recherche-développement. Le (la) doctorant(e) sera également sensibilisé(e) à une problématique industrielle à fort enjeu technologique.
Objectifs
L'étude portera sur les rôles respectifs des paramètres les plus pertinents du procédé de laser cladding et sur les différents composants des poudres utilisées (mélanges métal/carbures), sur les interactions laser-matière, la stabilité et l'optimisation de la fusion des matériaux, et par conséquent dans l'optimisation qualité/coût/énergie du procédé de fabrication des disques de frein.
L'analyse scientifique visera à établir la chaine causale entre le paramétrage fait sur la ligne prototype, la caractéristique des matériaux obtenus (tests en laboratoire) et le comportement du frein (tests sur bancs d'essais). L'objectif visé est de corréler le paramétrage et le résultat final à une approche locale des caractéristiques métallurgiques afin de prévenir le risque de rupture ou de dégradation du disque. La connaissance des données microstructurales et des mécanismes de rupture dans des conditions représentatives de l'usage, via une analyse minutieuse des essais est essentielle dans ce but. Les connaissances acquises à partir de la base expérimentale et de son interprétation seront capitalisées dans un modèle mathématique ou des cartographies du procédé.
Références
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