Étude de l’influence du Fer sur la transition de phase du Chrome (bcc/A15) : une étude par Dynamique Moléculaire

Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement : LaSIE UMR - 7356 CNRS - Université de La Rochelle.
Les activités du laboratoire ont pour domaines applicatifs :

• Durabilité et protection des matériaux sous contraintes environnementales,
• Qualité des ambiances habitables,
• Eco-procédés pour la qualité des produits et la valorisation énergétique des bio-ressources.

L’unité réunit un large spectre de compétences avec des approches intégrées depuis l’échelle atomique jusqu’au matériau, au bâti et son environnement à différentes échelles de temps et d’espace.
Elle établit un continuum du développement d’outils mathématiques aux applications et dépôts de brevets, en passant par des modèles et simulations numériques et expérimentales.

Ce sujet s’inscrit dans le cadre des thématiques de remplacement des procédés de chromage dur à partir de sels hexavalents toxiques pour l’environnement et la santé humaine. Le durcissement des réglementations européennes (REACH) impose de trouver des procédés de substitution. Parmi les procédés envisagés pour le remplacement, l’électrodéposition de chrome à partir d’électrolytes de chrome trivalent offre plusieurs avantages (coût, installations, géométrie des pièces, …). De nombreuses solutions de chromage trivalent sont rapportées dans la littérature mais aucune ne semble permettre d’obtenir des performances similaires au procédé de chromage hexavalent.

Pour cela, l’IRT M2P travaille depuis 2014 sur la formulation et l’optimisation de procédés de chromage trivalent à travers plusieurs projets industriels. Aujourd’hui, le projet NEPTUNE (2023-2027) portant sur ce sujet rassemble une trentaine de partenaires industriels, techniques et universitaires. Dans le cadre de ses projets, l’IRT M2P a développé deux électrolytes de chromage trivalent, l’un possédant des espèces organiques dans la formulation, l’autre non. Le but du projet NEPTUNE est d’augmenter la robustesse de ces procédés pour une potentielle industrialisation d’un procédé chez les partenaires. Ceci nécessite de comprendre les relations entre les paramètres de déposition, les propriétés métallurgiques et les propriétés fonctionnelles des dépôts.

Pour l’électrolyte de chrome trivalent de formulation inorganique, les résultats des travaux montrent que les propriétés des dépôts (morphologie, microstructure, fissuration) dépendent fortement des conditions de déposition, notamment la température et la densité de courant. Deux microstructures ont été identifiées selon les conditions de déposition, à savoir la phase cubique centré (bcc) thermodynamiquement stable du chrome et la phase A15, métastable, jamais rencontrée dans le cas de dépôts électrodéposés. L’étude de ce stage portera sur la modélisation de ces deux structures et la compréhension des paramètres physico-chimiques permettant de favoriser la phase métastable (température, présence d’impuretés (Fer, éléments légers...), …).

Pendant ce stage, nous examinerons principalement l'hypothèse de la présence d'impuretés, en mettant l'accent sur l’étude du rôle du fer dans la transition de phase observée expérimentalement. Pour ce faire, nous réaliserons des simulations à l’échelle atomique, à l’aide de la méthode de la dynamique moléculaire. Dans cette approche, chaque atome est modélisé comme une particule de masse m interagissant avec les atomes environnants. La dynamique moléculaire permet de résoudre la seconde loi de Newton au cours du temps et en fonction de la température pour chaque atome du système. Les forces mises en jeu sont les forces d’interaction interatomique, dérivées d’un potentiel empirique. Dans cette étude, nous testerons plusieurs potentiels pour modéliser les systèmes Fer-Chrome. Nous évaluerons la stabilité de la phase A15 et du chrome cubique centré en fonction de la teneur en Fer.

Master 1 ou équivalent spécialisé en physique ou chimie des matériaux avec une appétence pour la structure de la matière et pour la simulation numérique. Des compétences en python seront un atout.