Diffraction X ultra-rapide de matériaux microstructurés soumis à un choc laser. Application au Laser

Sujet de thèse :
Contexte Scientifique

Le grenaillage laser, ou laser shot peening (LSP), est un procédé visant à introduire des contraintes résiduelles de compression à la surface d’un matériau métallique afin d’en améliorer les propriétés en fatigue ou de résistance à la fissuration et in-fine limiter l’impact sur l’environnement des émissions des moyens de transport (aéronautique, automobile). Ce procédé de haute valeur ajoutée est déjà utilisé principalement en aéronautique. En effet, le LSP permet d’augmenter la durabilité des matériaux, d’une pièce mécanique ou d’une structure, et donc de limiter la fréquence de remplacement et l’usage de matériaux. Le procédé consiste à focaliser un laser de haute énergie (densité de puissance supérieure au GW/cm2), de diamètre millimétrique, pendant une dizaine de nanosecondes pour produire une onde de choc dans le matériau. Si l’amplitude de cette onde est suffisante, elle induit un champ hétérogène de déformations plastiques, conduisant in fine à des contraintes résiduelles une fois l’équilibre statique atteint. Même si ce procédé est mis en œuvre industriellement depuis plusieurs années et que de nombreux travaux de recherches ont été réalisés, il reste des questionnements scientifiques fondamentaux en suspens. Parmi ceux-ci, l’impact des orientations cristallines et de la microstructure sur la propagation des ondes de chocs et la relaxation des contraintes a été très peu abordé. Pourtant, il conditionne la génération locale de contraintes qui peuvent affaiblir le matériau, comme l’ont montré récemment des modélisations numériques à ces échelles. Jusqu’à maintenant aucune expérience n’a pu le mettre en évidence. En effet, ces études nécessitent des matériaux texturés bien maîtrisés et des mesures dynamiques résolus temporellement (inférieur à la ns) à l’échelle des grains (dizaines de microns). L’arrivée récentes des mesures in situ sur grands instruments scientifiques (Laser LULI et HERA, synchrotrons, et XFEL) révolutionne ce domaine de recherche fondamental en apportant des capacités expérimentales absolument uniques au monde. Ce sont les challenges ambitieux proposés dans cette thèse passionnante réalisée dans un environnement international stimulant parmi les plus en pointe sur le sujet.

Objectif de la thèse

Il s’agira de suivre à la fois la propagation in-situ d’un choc laser et les champs de contraintes à postériori dans des matériaux texturés qui seront fabriqués spécifiquement. Ces mesures seront réalisées par la diffraction des rayons X résolue en temps (résolution ps) ou en espace (microns), réalisables grâce aux sources synchrotrons et X-FEL, couplées à la vélocimétrie Doppler. Concrètement, le ou la candidat-e sera amené-e à préparer, réaliser et analyser des campagnes expérimentales sur les X-FELs Européen localisé à Hambourg (1ère campagne expérimentale sélectionnée pour Décembre 2026) et Japonais situé à Osaka, en synchrotron (ES
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