Étude expérimentale et modélisation multi-échelle du comportement de poudres métalliques mécaniquement activées : des systèmes binaires aux alliages à haute entropie. - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2021

Experimental investigation and multi-scale modelling of the behavior of mechanically activated metallic powders : from binary systems to High Entropy Alloys.

Étude expérimentale et modélisation multi-échelle du comportement de poudres métalliques mécaniquement activées : des systèmes binaires aux alliages à haute entropie.

Résumé

Generally, metal alloys consist of a main element associated with other elements present in smaller quantities such as iron, nickel, aluminum or copper alloys. The precise composition of an alloy is adjusted according to the required performance: high temperature behavior, corrosion resistance, mechanical properties, durability ... In 2004, a Taiwanese scientist, JW Yeh, had the idea of making an alloy base of several elements, at least 5, whose composition in the alloy varies between 5% and 30% at. Yeh invented the high entropy alloy (HEA). Mixed on a microscopic scale, the metals form a remarkably stable solid solution. The explanation is thermodynamic. An alloy is all the more stable as the mixing Gibbs free energy is low. Unlike traditional alloys, in an HEA, it is the entropy term of Gibbs energy that prevails over the enthalpic term. This discovery revolutionizes the design of metallic materials and opens up impressive perspectives for innovation. The study of Alloys with High Entropy (HEAs) is one of the most dynamic fields of research in materials science. One of the main challenges is understanding the relationship between development method / microstructure / properties. Most HEAs are produced by arc fusion, via a liquid phase to obtain the mixture. In the present work, we propose to study another innovative method based on powder metallurgy. The elaboration of HEAs has been carried out by a solid-state process, combining mechanical activation and SPS (Spark Plasma Sintering). Mechanical activation is a crucial first step that takes place during the high energy milling of the elementary powders. During this step, the chemical mixing and the lattice defects of the different powders increase. In practice, the subsequent reactivity of the powders is improved. This particular reactivity results in a homogeneous material after sintering. In order to have a better understanding of the progress and of the role of this mechanical activation, a molecular dynamics study in the simplified framework of binary systems was carried out. We studied simple HEAs composed of Al, Co, Cr, Fe and Ni in order to evaluate the influence of the elaboration process on the final material. The products were experimentally characterized by different techniques: X-ray Diffraction, Scanning Electron Microscopy, Atomic Tomographic Probe... In parallel, fundamental studies on the influence of the process on the AHEs were carried out by multi-scale/multi-physics modelling, including computational thermodynamics (Calphad method) and molecular dynamics simulations. The aim was to determine the microstructural properties as a function of the process parameters, as the nanostructures (dendrites, nanotwins, precipitates) play a decisive role in the outstanding properties of HEAs.
Généralement les alliages métalliques sont constitués d'un élément principal associé à d'autres éléments présents en plus faible quantité comme les alliages à base de fer, de nickel, d'aluminium ou de cuivre. La composition précise d'un alliage est ajustée en fonction des performances requises : comportement à haute température, résistance à la corrosion, propriétés mécaniques, durabilité … En 2004, un scientifique taiwanais, J-W Yeh, a eu l'idée de fabriquer un alliage à base de plusieurs éléments, au moins 5, dont la composition dans l'alliage varie entre 5% et 30% at.. Yeh a inventé l'alliage à haute entropie (AHE). Mélangés à l'échelle microscopique, les métaux forment une solution solide remarquablement stable. L'explication est thermodynamique. Un alliage est d'autant plus stable que l'énergie libre de Gibbs de mélange est faible. Contrairement aux alliages traditionnels, dans un AHE, c'est le terme entropique de l'énergie de Gibbs qui l'emporte par rapport au terme enthalpique. Cette découverte révolutionne la conception des matériaux métalliques et ouvre des perspectives d'innovation impressionnantes. L'étude des Alliages à Haute Entropie (AHE) est l'un des domaines les plus dynamiques de la recherche en science des matériaux. L'un des principaux défis concerne la compréhension de la relation méthode d'élaboration / microstructure / propriétés. La plupart des AHE sont élaborés par fusion à l'arc, en passant par une phase liquide pour obtenir le mélange. Dans ce travail, nous proposons d’étudier une autre méthode innovante basée sur la métallurgie des poudres. L'élaboration des AHE a été réalisée par voie solide, en combinant activation mécanique et frittage SPS (Spark Plasma Sintering). L’activation mécanique est une première étape cruciale se déroulant pendant le broyage à haute énergie des poudres élémentaires. Pendant cette phase, les différentes poudres se mélangent et voient leur taux de défauts cristallins augmenter. Concrètement la réactivité subséquente des poudres est améliorée. Cette réactivité particulière permet d’avoir un matériau homogène après frittage. Afin d’avoir une meilleure compréhension du déroulement et du rôle de cette activation mécanique, une étude par dynamique moléculaire dans le cadre simplifié de systèmes binaires a été menée. Nous avons étudié des AHE simples composés de Al, Co, Cr, Fe et Ni afin d’évaluer l’influence du procédé d’élaboration sur le matériau final. Les produits ont été caractérisés expérimentalement par différentes techniques : Diffraction des rayons X, Microscopie Électronique à balayage, Sonde Atomique Tomographique… En parallèle, des études fondamentales portant sur l’influence du procédé sur les AHE ont été réalisées par une modélisation multi-échelle / multi-physique, incluant la thermodynamique calculatoire (méthode Calphad) et des simulations par dynamique moléculaire. Le but était de déterminer les propriétés microstructurales en fonction des paramètres du process car les nanostructures (dendrites, nanotwins, précipités) jouent un rôle déterminant sur les propriétés exceptionnelles des AHE.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04087211 , version 1 (03-05-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04087211 , version 1

Citer

Adrien Fourmont. Étude expérimentale et modélisation multi-échelle du comportement de poudres métalliques mécaniquement activées : des systèmes binaires aux alliages à haute entropie.. Autre. Université Bourgogne Franche-Comté, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UBFCK059⟩. ⟨tel-04087211⟩
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