Sciences et génie des matériaux

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

FOUVRY Siegfried

Centre des Matériaux

22/12/2024

Fretting Usure, Fretting Impact, Usure, Simulation de l'usure

Fretting Usure, Fretting Impact, Usure

L'objectif de cette thèse est de développer un modèle d'usure permettant de prédire la cinétique d'usure sous sollicitations variables de type fretting-impact pour un contact Zircaloy-Alliage 718 représentatif des interactions grille/crayon des assemblages de combustible nucléaire.
Après une bibliographie approfondie, le (la) doctorant(e) analysera le spectre de chargement issu d'essais instrumentés sur réacteur. Un trajet de chargement représentatif sera ainsi établi. Une première étape consistera à reproduire sur un banc «laboratoire» disponible au CDM les sollicitations imposées sur un contact grille/crayon représentatif en eau borée mais à température ambiante (essai non pressurisé). Une campagne expérimentale permettra de quantifier l'évolution de la cinétique d'usure en fonction des énergies d'impact et de glissement imposées à l'interface. Des expertises approfondies en surface et en sous couche des surfaces frottées (SEM, TEM, EBSD, nano indentation, micro-pilar, …) seront mises en place pour comprendre les mécanismes physiques de dégradation et établir le scénario d'usure. Un modèle d'usure hybride «impact-glissement» sera par la suite développé. Cette recherche axée sur la quantification du volume d'usure sera par la suite étendue pour simuler l'évolution de la profondeur d'usure en transposant le modèle «hybride» au sein d'un code d'usure numérique FEM (Abaqus). Une fois ce modèle recalé sur des essais expérimentaux discriminants, une seconde partie de ce travail consistera à transposer ce modèle «hybride» pour des chargements aléatoires de glissement et d'impact. Il s'agit ici d'un aspect extrêmement novateur dans le domaine de la tribologie (science de l'usure et du frottement).
Cette extension du modèle sera confrontée (et optimisée) en comparant les simulations vis-à-vis d'essais réalisés sous sollicitations aléatoires sur le banc du CDM. Une fois la démarche validée, le modèle sera appliqué pour simuler des expérimentations sur un banc technologique «Framatome» au Creusot (contact tube /grille réel soumis à des vibrations). Si la corrélation s'avère pertinente pour des températures ambiantes (équivalence avec le banc CDM), un travail d'extrapolation pour des conditions en température et sous eau pressurisée pourra être engagé. A terme et après validation sur différents cas de charge, le modèle sera implémenté au sein des bureaux d'étude de Framatome pour optimiser le système de supports grille/crayon et minimiser les usures observées dans ces contacts.
Outre un objectif industriel clairement identifié, ce travail de recherche aborde un domaine de recherche très innovant concernant l'usure sous sollicitations combinées de fretting et d'impact pour des spectres aléatoires de chargement.

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La transition écologique et la décarbonation de l'industrie va imposer une électrification massive de nos sociétés. Cela implique le développement des énergies renouvelables mais aussi et surtout celui de l'énergie nucléaire (fission puis fusion). Framatome est pleinement engagé dans ce processus avec le développement de nouveaux réacteurs nucléaires plus sûrs et plus pérennes. Un point crucial du fonctionnement des réacteurs nucléaires concerne le maintien des assemblages de combustible au sein de l'enceinte pressurisée (réacteur type PWR) (Fig. 1a). Ces derniers sont constitués d'une multitude de crayons de combustible assemblés à l'aide de grilles alvéolaires. Le maintien des crayons est assuré par un système de supports (dont des lames flexibles) permettant l'insertion ou l'extraction des crayons. Cependant, immergés dans la cuve et soumis au flux de l'eau du circuit primaire, les crayons de combustible subissent des vibrations induites par les écoulements turbulents. Ces vibrations engendrent des micro-glissements alternés (fretting) qui usent les contacts crayon/grille. Ces usures peuvent induire une perte de fonctionnalité de l'assemblage voire le percement des gaines de Zircaloy (crayons) qui confinent le combustible d'uranium. Pour limiter ces usures, améliorer le système de maintien des crayons dans les grilles et optimiser les arrêts pour rechargement en combustible, il est essentiel de modéliser la cinétique d'usure de ces contacts. Pour cela une collaboration de recherche, combinant expérimentations et simulations est mise en place entre le groupe Framatome, le Laboratoire du Centre des Matériaux (CDM) des Mines de Paris et le Laboratoire LMPS de CentraleSupélec.

Directeur de Thèse: S. Fouvry Centre des Matériaux Mines Paris
Co-encadrant 1: P. Arnaud Centre des Matériaux Mines Paris
Co-encadrant externe: C. Gandiolle LMPS, CentraleSupélec

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: 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.

Profil souhaité
Ingénieur(e) en mécanique et/ou matériaux motivé(e) par la conduite et l'analyse d'essais expérimentaux ainsi que par le développement de modélisations sur l'usure des matériaux codes FEM (programmation Python & Matlab).

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

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: 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.

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

C. Paulin, S. Fouvry, S. Deyber, 'Wear kinetics of Ti-6Al-4V under constant and Variable fretting sliding conditions' Wear 259, Issues 1-6 (2005) 292-299.
S. Fouvry, V. Fridrici, C. Langlade, Ph. Kapsa, L. Vincent, “Palliatives in Fretting : A dynamical approach ”, Tribology International 39 (2006) 1005–1015.
C. Paulin, S. Fouvry, C. Meunier, Finite element modelling of fretting wear surface evolution: Application to a Ti–6A1–4V contact”, Wear 264 (1-2) (2008) 26-36.
P. Arnaud, S. Fouvry, S. Garcin, A numerical simulation of fretting wear profile taking account of the evolution of third body layer, Wear 376-377 (2017) 1475–1488.

CIFRE ANRT

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