CENTRALE LYON ENISE - Post doctorat - Modélisation et optimisation de la sphéroïdisation de poudres métalliques par plasma RF

Le poste est basé à Centrale Lyon ENISE, sur le campus stéphanois, qui accueille plus de 1250 élèves et 160 personnels, dans un environnement exceptionnel aux portes du Pilat. Centrale Lyon ENISE forme des ingénieurs de spécialité Génie mécanique, Génie civil, Génie sensoriel sous statut étudiant (FISE) ou sous statut apprenti (FISA).

DESCRIPTIF

Contexte scientifique :

Dans le cadre d'un projet ANR consacré au traitement et à la fonctionnalisation de poudres métalliques par plasma radiofréquence, le laboratoire souhaite recruter un post-doc pour développer une approche couplant modélisation physique, expérimentation et optimisation des paramètres de procédé.

Le travail portera principalement sur la sphéroïdisation de poudres d'AlSi10Mg par plasma RF inductif, réalisée sur une torche TekSphero40 (40 kW). Le procédé vise à transformer des particules initialement irrégulières en particules sphériques adaptées notamment aux procédés de fabrication additive métallique.

Le projet s'intéresse à un problème scientifique fortement couplé. L'augmentation de l'énergie apportée aux particules favorise leur fusion et leur sphéroïdisation, mais peut simultanément accentuer l'évaporation du magnésium, la formation de nanoparticules et la coalescence des particules en vol. L'objectif est donc de rechercher un compromis optimal entre plusieurs critères de qualité de la poudre.

Verrous scientifiques :

La fabrication additive métallique par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) nécessite des poudres très sphériques, coulables et chimiquement homogènes. Le procédé de sphéroïdisation par plasma à couplage inductif radiofréquence (RF) est une voie industrielle intéressante pour répondre à ces besoins. Dans ce procédé, la poudre traverse un plasma d'argon à 10 000 K, fond en vol (~ 5 -150 ms) et se resolidifie en gouttelette sphérique sous l'effet de la tension de surface.

La qualité finale des poudres dépend de quatre paramètres opératoires principaux : la puissance du procédé, le débit de poudre, les débits de gaz (central, gaine, porteur), et la position axiale de la sonde d'injection de poudre dans le plasma. Sur la torche TekSphero40 (20-40 kW) et pour l'AlSi10Mg, trois verrous scientifiques sont identifiés et doivent être levés simultanément :

• Verrou 1 :

Coalescence des particules: les gouttelettes fondues, en raison de leur faible viscosité, fusionnent lors de collisions en vol, provoquant un grossissement non contrôlé de la distribution granulométrique. Ceci a été particulièrement observé dans nos essais sur la sphéroïdisation de AlSi10Mg. Dans la littérature, cet effet a été rapporté sur une poudre de tungstène (Zhu et al. 2017).

• Verrou 2 :

Évaporation des éléments légers : le magnésium (Tvap = 1091 °C) s'évapore préférentiellement dans le plasma, provoquant un appauvrissement en Mg de l'alliage (perte de la phase durcissante Mg₂Si) et la formation de fumées métalliques.

• Verrou 3 :

Formation de nanoparticules: les vapeurs métalliques produite dans le plasma conduisent à la condensation en nanoparticules polluantes et parfois, de dépôts satellites sur les grosses particules.

Ces trois verrous sont couplés : augmenter la puissance ou le temps de séjour améliore la sphéricité mais aggrave la coalescence et l'évaporation. Le problème est intrinsèquement multi-objectifs et aucune solution "toute faite" n'existe dans la littérature pour cet alliage.

MISSION ET ACTIVITES

Le post-doc développera un modèle permettant de prédire le comportement des particules dans le plasma en considérant trois phénomènes physiques principaux :

• Fusion et sphéroïdisation : établir le bilan énergétique entre le plasma et les particules afin de déterminer les conditions permettant leur fusion complète et leur transformation en particules sphériques.
• Évaporation du magnésium : modéliser la perte préférentielle de Mg lorsque les particules atteignent des températures élevées, en reliant température, temps de séjour et cinétique d'évaporation.
• Coalescence : étudier les collisions et la fusion entre particules en vol afin de prédire leur évolution granulométrique.

Ces trois phénomènes seront ensuite couplés dans une approche d'optimisation multi-objectifs, afin d'identifier les conditions permettant de maximiser la sphéroïdisation tout en limitant la perte de Mg, la formation de nanoparticules et l'élargissement de la distribution granulométrique.

Le travail comportera une forte interaction entre modélisation et expérimentation. Les prédictions seront confrontées à des essais réalisés sur la TekSphero-40 et à la caractérisation des poudres par MEB, diffraction laser, mesure de densité apparente et ICP-AES. Un plan d'expériences sera notamment utilisé pour calibrer et valider les modèles.

Activités principales :

1.Acquérir des connaissances sur le procédé de sphéroïdisation plasma RF

2.Développer les modèles physiques

1. Développer une approche de modélisation numérique
2. Mettre en œuvre une stratégie d'optimisation

5.Conduire et analyser les expérimentations

Diplôme requis pour les contractuels : doctorat

Spécialité/domaine (facultatif) : génie des procédés, génie mécanique, science et génie des matériaux, métallurgie, physique des plasmas, thermique et énergétique, mécanique des fluides ou domaine scientifique proche. Une expérience directe en plasma thermique ou en sphéroïdisation de poudres serait appréciée, mais elle n'est pas indispensable. Le candidat devra surtout posséder une solide formation scientifique lui permettant d'acquérir rapidement les connaissances spécifiques au procédé.

Connaissances :

Le/la candidat(e) devra disposer de bonnes bases dans plusieurs des domaines suivants : transferts thermiques, thermodynamique, mécanique des fluides, phénomènes de transport, science des matériaux et métallurgie, modélisation physique, méthodes numériques, statistiques et plans d'expériences.

Une bonne compréhension des phénomènes de changement de phase, de transfert de chaleur, de transport de matière et de cinétique est particulièrement recherchée.

Le projet nécessite également une capacité à passer d'une description physique du phénomène à un modèle mathématique exploitable numériquement.

Savoir-être :

Nous recherchons un(e) jeune chercheur(se) autonome, curieux(se) et capable d'aborder un problème physique complexe, de formuler des hypothèses, de développer un modèle, de le confronter à l'expérience et de l'améliorer sur la base des résultats obtenus.

Le poste offre la possibilité de travailler à l'interface de plusieurs domaines : Plasma RF → Transferts thermiques → Métallurgie des poudres → Modélisation → Expérimentation → Optimisation → Fabrication additive.

Cycle hebdomadaire de 37,30 H - 48,5 jours de congés - aménagement possible du temps de travail sur 4,5 jours - télétravail sous conditions.