Les propriétés physiques des sels fondus (chlorures, sulfates, nitrates), les placent au coeur des enjeux actuels. Fluides caloporteurs efficients, ils sont mis en oeuvre dans les centrales solaires à concentration, pour le stockage de l'énergie et sont envisagés pour développer les petits réacteurs nucléaires modulaires (SMR) à sels fondus. Ils sont également présents en surface des matériaux métalliques dans un grand nombre d'application, comme les turbines aéronautiques ou les unités de valorisation des déchets ménagers où ils sont responsables de la forte dégradation des structures métalliques, imposant des arrêts de production et des opérations de maintenance coûteuses.
Au cours de travaux antérieurs autour de cette problématique corrosion, l'équipe Surfaces et Interfaces : Réactivité Chimique des Matériaux de l'Institut Jean Lamour s'est intéressée aux interactions entre ces environnements et des matériaux métalliques, notamment avec des alliages favorisant la formation d'une couche d'oxyde protectrice à l'interface avec le milieu corrosif. La physico-chimie de ces systèmes et la vitesse des réactions avec les matériaux métalliques a été considérée en transposant les concepts utilisés pour décrire les équilibres en milieu aqueux, comme l'acido-basicité et l'oxydo-réduction. Ces derniers paramètres influencent en effet directement la dissolution des couches d'oxyde protectrice, et donc leur stabilité.
La compréhension de ces phénomènes complexes est débattue depuis les années 80 et requiert une investigation poussée des différentes réactions à l'oeuvre. C'est ce qui est proposé dans ce travail basée sur l'expérimentation et la description thermodynamique des équilibres. Les résultats doivent permettre d'identifier les paramètres clés afin de proposer des mécanismes réactionnels, nécessaires à la prévision des durées de vie.
Au cours de cette thèse, le rôle des espèces de types sulfates et chlorures sur les réactions d'oxydation et de sulfatation sera investigué par le biais d'essais thermogravimétriques et de corrosion en présence d'espèces soufrées. La caractérisation fine (DRX, MEB, MET, analyses chimiques) des produits de corrosion et de réaction constituera une part importante du travail. La mesure de la conductivité des sels sera mise en oeuvre, notamment par le biais des techniques électrochimiques en atmosphère contrôlée.
L'ambition première de ce travail doctoral est d'approfondir nos connaissances fondamentales des sels et de leurs réactions avec des matériaux modèles et des matériaux métalliques d'usage courant (aciers réfractaires, alliages base nickel).
Les principaux objectifs sont ici donc d'identifier les étapes limitant la vitesse de dégradation des pièces, permettant d'envisager la mise en oeuvre de solutions de protection. L'originalité se situe notamment dans l'approche que l'équipe souhaite employer.
Les quatre axes de ce travail sont les suivants :
1. Etude des cinétiques des réactions de sulfatation des oxydes NiO, CoO, Cr2O3, Al2O3 en présence de mélanges de sulfates et de chlorures.
2. Interaction des oxydes avec l'environnement sel fondu. Mesures de solubilité des oxydes dans les sels.
3. Développement de la mesure de conductivité des mélanges de sels à l'état solide et liquide.
4. Etude du comportement en corrosion chaude d'alliages choisis.
Les techniques d'évaluation de la durabilité des matériaux métalliques sont développées dans l'équipe de recherche. Il s'agit notamment des techniques thermogravimétriques et électrochimiques à haute température. Les méthodes d'analyse chimiques quantitatives (ICP, microsonde), les techniques de caractérisation de pointe (microscopies électroniques) sont disponibles à l'IJL.
Les objectifs poursuivis dans ce travail doctoral viseront d'une part à évaluer la réactivité d'alliages « modèles » au contact de milieux contenant des chlorures et des sulfates sous atmosphères aux propriétés oxydantes contrôlées, et d'autre part à développer les techniques de mesure dans ces milieux particuliers.
L'utilisation d'alliages de composition simplifiée doit également permettre de trancher quant à l'effet du molybdène et du tungstène (éléments fréquemment utilisés pour optimiser les propriétés mécaniques à haute température). Leur influence sur la conductivité des couches formées sera évaluée.
Les données de nature cinétique et thermodynamique qui seront obtenues lors de ce travail ont vocation à être publiées dans des journaux tels que Corrosion Science, Applied Surface Science ou encore Surface and Coatings Technology, et à être présentées à la communauté scientifique lors de congrès nationaux et internationaux.
Compétences :
Titulaire d'un diplôme d'ingénieur ou d'un Master 2 dans le domaine de la chimie, l'ingénierie des matériaux ou en physico-chimie.
- Une formation solide en chimie (chimie des solutions, cinétique, thermodynamique) est importante pour comprendre les réactions hétérogènes étudiées.
- Une expérience et un goût prononcé pour l'expérimentation scientifique seront des atouts pour mener l'étude thermodynamique et cinétique.
- Des compétences techniques seront également appréciées (connaissance des techniques du vide, gestion des gaz, électrochimie).
- Rigueur/ Organisation/ esprit d'initiative et d'analyse.
- Curiosité scientifique.
- Capacité à synthétiser et à la communication en anglais sera également nécessaire
Contexte de travail
A propos de l'Institut Jean Lamour
L'Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l'Université de Lorraine. Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique.
En 2025, l'IJL compte 259 permanents (34 chercheurs, 133 enseignants-chercheurs, 92 IT-BIATSS) et 374 non-permanents (136 doctorants, 48 post-doctorants / chercheurs contractuels et plus de 190 stagiaires), d'une soixantaine de nationalités différentes. Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays. Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est situé sur le campus ARTEM à Nancy.
Le / la doctorant-e sera basé-e à l'Institut Jean Lamour (Nancy) et aura à disposition des moyens d'élaboration, de caractérisation et de calcul, afin de mener à bien sa mission.
La thèse sera réalisée au sein de l'équipe Surface et Interface : Réactivité chimique des Matériaux.
Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
Contraintes et risques
Le poste sur lequel vous candidatez se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
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