Modélisation et simulation de la construction d'un revêtement céramique élaboré par procédé de projection plasma de suspension

Modeling and simulation of ceramic coating developed by suspension plasma spraying process

• Auteur / Autrice : Asaph Palencia
• Direction : Cédric Le bot, Stéphane Glockner
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 02/11/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TREFLE : Fluides et Transferts

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique des fluides

Transferts thermiques

Modélisation

Simulation

Mathématiques appliquées

Fluid Mechanics

Heat Transfer

Modelling

Simulation

Applied Mathematics

Résumé

Contexte La thèse s'inscrit dans le projet « Aventurine : vers un clone numérique de la projection plasma de suspensions à usage industriel ». Les techniques de revêtement de surface sont des technologies indispensables pour répondre aux enjeux de l'aéronautique comme pour la création de barrières thermiques ou pour les revêtements anti-usure de haute performance. Ces technologies doivent aussi répondre aux exigences de la réglementation REACH (1) et tenir compte du problème d'approvisionnement en matériaux dits critiques. Ces exigences couplées avec le développement de nouveaux matériaux et des conditions d'utilisation de plus en plus extrêmes obligent à des progrès rapides et importants sur ces techniques de traitements de surface. Parmi les procédés envisageables, la projection plasma permet de fabriquer des revêtements céramiques. Les techniques de projection plasma sont classées pour l'aéronautique dans les procédés spéciaux dont les éléments de sortie ne peuvent être vérifiés que par une surveillance ou une mesure effectuée a posteriori et dont les déficiences n'apparaissent de ce fait, qu'une fois le produit en usage. La simulation numérique permet alors de grandement accélérer la compréhension des phénomènes pour assister la mise en œuvre expérimentale du procédé. Elle nécessite une connaissance profonde des phénomènes, et une analyse précise des comportements fluides et thermiques à l'échelle des gouttes pour accéder à des conditions opératoires optimales. Le projet vise à développer un clone numérique d'un procédé de revêtement émergeant au niveau industriel, essentiellement dans la filière aéronautique : la projection plasma de suspension. Ce procédé autorise de nombreuses applications(barrières thermiques de nouvelle génération pour les turbines à gaz aéronautiques et industrielles, revêtements anti-usure à haute performance, revêtements glaciophobes sur ailes d'avion, revêtements antimicrobiens, etc.), et il a la potentialité de répondre à des enjeux technologiques d'aujourd'hui. Le projet est une collaboration entre le laboratoire IRCER de Limoges et l'I2M de Bordeaux. Objectifs de la thèse La représentation numérique de l'impact de suspensions est fondamentale pour étudier la structure du revêtement formé par pulvérisation. La thèse a comme objectif de modéliser et simuler l'impact de plusieurs particules, et d'estimer le régime d'impact et de transferts thermiques en fonction des conditions d'impact (vitesse, diamètre, propriétés des matériaux, topologie de surface de substrat...). Le code massivement parallèle de mécanique des fluides Notus (https://notus-cfd.org), développé à l'I2M (équipe Mécanique des Fluides Numérique du département TREFLE), sera utilisé pour la résolution des équations de Navier-Stokes, la représentation des interfaces libres et la prise en compte des transferts thermiques. La thèse se focalisera sur le procédé de projection thermique. Elle est orientée sur le développement numérique de méthodes capables de restituer le comportement d'interfaces mobiles des gouttes lors de l'impact, sous des contraintes fortes (grandes vitesses, haute température, fortes déformations, changement de phase). Il s'agira de compléter le code Notus pour tenir compte des différents phénomènes responsables de l'écoulement complexe des gouttes, et de la solidification provoquée par les transferts thermiques entre le substrat et les particules fluides. Le thèse sera ainsi constituée de deux étapes majeures : la mise en place et/où l'adaptation et l'optimisation de modules complémentaires représentatifs des phénomènes physiques relatifs à l'écoulement de gouttes et des transferts thermiques (tension de surface, résistance thermique de contact, changement de phase) et la simulation numérique massivement parallèle (sur des supercalculateurs régionaux et nationaux) de gouttes pour interpréter les relations entre conditions d'impact et morphologie des gouttes post-impact. (1) REACH est un règlement européen (règlement n°1907/2006) entré en vigueur en 2007 pour sécuriser la fabrication et l'utilisation des substances chimiques dans l'industrie européenne

Context The PhD is part of a Nouvelle Aquitaine regional project ''Aventurine: towards a numerical clone of the plasma projection of suspensions for industrial use''. Surface coating techniques are essential technologies to reach the challenges of aeronautics as for the manufacturing of thermal barriers or for high performance anti-wear coatings. These technologies must also meet the requirements of REACH regulations and take into account the problem of sourcing so-called critical materials. These requirements, coupled with the development of new materials and increasingly extreme conditions of use, need rapid and significant progress in these surface treatment techniques. Among the possible processes, plasma spraying allows the production of ceramic coatings. Plasma spraying techniques are classified for aeronautics as special processes whose output elements can only be verified by monitoring or measurement carried out afterwards and whose deficiencies only become apparent once the product is in use. Numerical simulation allows to greatly accelerate the understanding of the phenomena to assist the experimental implementation of the process. It requires a deep knowledge of the phenomena, and a precise analysis of the fluid and thermal behaviors at the droplet scale to reach optimal operating conditions. The project aims at developing a numerical clone of a coating process emerging at the industrial level, mainly in the aeronautical industry: the plasma spray of suspension. This process allows many applications (new generation of thermal barriers for aeronautical and industrial gas turbines, high performance anti-wear coatings, glaciophobic coatings on aircraft wings, antimicrobial coatings, etc.), and has the potential to meet today's technological challenges. The project is a collaboration between the IRCER laboratory in Limoges and the I2M in Bordeaux. The PhD will take place at the I2M laboratory in Bordeaux. Objectives of the PhD The numerical representation of the impact of suspensions onto a substrate is fundamental to study the structure of the coating formed by spraying. The objective of the present thesis is to model and simulate the impact of several particles, and to estimate the impact and heat transfer regimes as functions of the impact conditions (velocity, diameter, material properties, substrate surface topology...). The massively parallel fluid mechanics code Notus (https://notus-cfd.org), developed at I2M (CFD team of the TREFLE department), will be used for the resolution of the Navier-Stokes equations, the representation of free interfaces and the consideration of heat transfer. The thesis will focus on the thermal spray process. It is oriented on the numerical development of methods capable of restoring the behavior of mobile interfaces of droplets during the impact, under strong constraints (high speeds, high temperature, high deformations, phase change). The Notus code will be completed to take into account the different phenomena responsible for the complex flow of droplets, and solidification caused by heat transfers between the substrate and fluid particles. The PhD will thus consist of two major steps: the implementation and/or adaptation and optimization of complementary modules representative of the physical phenomena related to drop flow and heat transfers (surface tension, contact thermal resistance, phase change) and the massively parallel numerical simulations (on regional and national supercomputers) of drops to interpret the relationships between impact conditions and post-impact drop morphology.