La plateforme TTcH du laboratoire MSMP à 10 ans

Il y a 10 ans, le premier traitement de nitruration gazeuse des aciers de construction était réalisé au sein du laboratoire MSMP, inaugurant le lancement de la plateforme TTcH (traitements thermiques et thermochimiques).

Reproduction exacte d’un traitement industriel, il servit de référence au projet Nit++ ( thèse CIFRE de Guillaume FALLOT soutenue en 2015), en partenariat avec Eurocopter (aujourd’hui Airbus Helicopters).

Cette plateforme se distingue notamment par une thermobalance Setaram Setsys EVO 16/18 permettant des traitements thermiques jusqu’à 1400 °C sous atmosphère réactive (NH3, H2, O2, CO, CO2) tout en suivant l’évolution de la masse des échantillons traités avec une sensibilité de 30 nanogrammes (soit une trentaine de cellules).

Ce co-financement, de 150 k€ d’équipements et autant en infrastructure (salle, système et panoplie gaz, sécurité…), partagé entre Arts et Métiers et Airbus Helicopters, a entre autres permis de développer la gamme de nitruration industrielle dite « grande profondeur » de la nouvelle génération de transmissions de puissance des hélicoptères produit à Marignane.

La nitruration des aciers, un sujet emblématique du laboratoire depuis 30 ans

Historiquement, la nitruration des aciers est un sujet emblématique de la thématique de recherche « Relations microstructures/propriétés/procédés » des matériaux à gradients de propriétés portés par le laboratoire MSMP depuis plus de 30 ans !

Pr. Laurent BARRALLIER, directeur de l’équipe MMS du laboratoire MSMP, a ainsi soutenu la première thèse en 1992 sur la genèse des contraintes résiduelles dans les couches nitrurées d’aciers de construction en partenariat avec Airbus Helicopters. S’en est suivi le développement de ces activités par l’intermédiaire de 4 thèses :

1998, thèse CIFRE de Jean-Noël LOCQUET sur la caractérisation de la microstructure des couches nitrurées, en partenariat avec Airbus Helicopters ;
2000, thèse de Michel CHAUSSUMIER sur la modélisation de la fatigue multiaxial de pièces en aciers nitrurés ;
2006, thèse CIFRE de Vincent GORET sur la modélisation du traitement de nitruration des aciers de construction à géométrie complexe, en partenariat avec Airbus Helicopters ;
2009, thèse CIFRE de Sébastien JÉGOU sur le rôle des éléments d’alliage et du carbone sur la genèse des contraintes résiduelles d’aciers nitrurés, en partenariat avec Aubert & Duval et Safran.

Des partenariats industriels

Depuis 2011, le laboratoire MSMP a su se renforcer (recrutement de Sébastien JÉGOU comme Maître de Conférences) et développer ses partenariats R&D autour du traitement de nitruration gazeuse des aciers de construction par l’intermédiaire de 5 thèses :

2015, thèse CIFRE de Guillaume FALLOT sur l’optimisation de la nitruration gazeuse grande profondeur des aciers de construction, en partenariat avec Airbus Helicopters ;
2016, thèse FUI de Benjamin GUILLOT sur les préparations de surface pré-nitruration des aciers de construction, en partenariat avec Airbus Helicopters, Bodycote, Renault Sport F1 (aujourd’hui Alpine) et Transvalor ;
2017, thèse CIFRE d’Hadrien WEIL sur la modélisation des besoins fonctionnels des aciers de construction nitrurés (résistance en fatigue) en partenariat avec Safran Transmission Systems ;
2018, thèse CIFRE de François GODET sur la relation entre les microstructures des couches nitrurées et l’optimisation des propriétés en fatigue des surfaces traitées en partenariat avec IRT M2P, Safran Tech, NTN-SNR, Airbus Helicopters, Naval Group ;
2022, thèse APCD de Lisa GERMAIN sur les relations entre les phénomènes de diffusion interstitiel et les gradients de déformations et contraintes appliquées à la nitruration des aciers.

Et aujourd’hui

Fort de ses connaissances et compétences acquises depuis plus de 30 ans, le laboratoire MSMP applique aujourd’hui ses approches transverses de R&D à de nouvelles nuances d’aciers (à outils, électriques, hybrides…) ou encore à la modélisation pour l’industrie 4.0 des traitements thermochimiques de surface grâce à l’obtention de 3 thèses :

2023, thèse CIFRE de Yanxue ZHANG sur l’optimisation des conditions de nitruration dans le cas des aciers à outils, en partenariat avec Lisi Automotive ;
2024, thèse AMVALOR de Flavien DELARBRE sur l’optimisation des cinétiques d’oxydation/décarburation et nitruration des aciers électriques, en partenariat avec thyssenkrupp Electrical Steel ;
2025, thèse CIFRE de Patricia RAZAFIMAHEFA sur la modélisation 4.0 du traitement de nitruration gazeuse des aciers de construction, en partenariat avec IRT M2P et Safran Transmission Systems.

Des travaux de recherche en lien avec l’enseignement

Ces 10 années écoulées ont également été l’occasion de consolider les partenariats académiques avec des industriels au travers de nombreux stages de fin d’études mais aussi de projets d’expertises (ex. : validation des TRL5 et 6 de la nouvelle gamme de nitruration des aciers de construction de Safran Transmission Systems).

Cette année 2023 marquera le lancement de deux stages de fin d’études en collaboration avec Safran Transmission Systems. Ils auront pour objectif de poursuivre le développement des activités de la plateforme TTcH avec l’étude de traitements DUPLEX de surface nouvelles générations, plus responsables. Ils seront le point de départ d’un nouveau projet de collaboration de 3 ans entre le laboratoire MSMP et Safran Transmission Systems autour des traitements thermochimiques de surface.

L’enseignement n’est pas en reste avec une pédagogie qui s’appuie sur ces exemples d’application de R&D mais aussi sur les moyens techniques de cette plateforme, notamment au travers des unités d'enseignement (MATA = Matériaux Avancés et COPA-REPA = Concevoir et Réaliser des Produit Avancés) et projets (PJT) de 2e année. Cette pédagogie se développe également en relation avec l’essor de l’industrie 4.0 afin de proposer des solutions de prédictions des propriétés adaptées à ce type de traitement.

Les acteurs de la plateforme TTcH : Pr. Laurent BARRALLIER (Professeur des Universités), Dr. Sébastien JÉGOU (Maître de Conférences), Dr. Fabrice GUITTONNEAU (ingénieur de recherche), Jean-François MATHIEU (ingénieur d’études) et Jean-Philippe MARTIN (technicien).

Spectromètre de masse