Effet de la micrοstructure οbtenue par fabricatiοn additive sur le vieillissement sοus irradiatiοn d'alliages ΝΙ-20CR

Microstructure evolution under irradiation of the additively manufactured Ni-20Cr

• Auteur / Autrice : Alexis Dujarrier
• Direction : Isabelle Monnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/10/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Hug
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Hug, Guy Dirras, Fabien Onimus, Mamour Sall, Stéphanie Jublot-Leclerc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Dirras, Fabien Onimus
• DOI : 10.70675/09b46bdfzebb1z4e84zac30z00dc5a8faf26

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Irradiation

Ions lourds

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Fabrication additive

Irradiartion aux ions lourds

Compression micro-Piliers

Boucles de Frank

Additive manufacturing

Ion irradiation

Microstructure

Frank loops

Micropillar compression

Résumé

La fabrication additive (FA) des métaux est une technologie de pointe qui permet une mise en œuvre rapide et l’optimisation de la conception de pièces complexes. Elle est désormais utilisée dans de nombreux secteurs industriels, dont le nucléaire. L’un des processus de fabrication les plus courants est la fusion laser sur lit de poudre, qui est à l’origine d’une microstructure particulière qui pourrait influer sur la réponse du matériau à l’irradiation. L’objectif de ce travail de thèse a donc été d’étudier l’effet de l’irradiation aux ions lourds sur la microstructure du Ni-20Cr FA par Microscopie Électronique en Transmission (MET), ainsi que son impact sur ses propriétés mécaniques, afin de déterminer si l’usage de la FA pourrait s’appliquer au domaine nucléaire. Pour cela, trois stratégies de fabrication additive ainsi que l’effet d’un recuit ont été étudiés et ont été comparés à un matériau de référence. Différentes expériences d’irradiation aux ions lourds ont été réalisées, sur des échantillons massifs mais aussi sur des lames minces observées par MET in situ. Les expériences in situ permettent notamment de mesurer la cinétique de croissance des défauts à faible dose et de suivre l’évolution de certaines caractéristiques. Il est ainsi mis en évidence que dans tous les échantillons, l’irradiation induit la formation de boucles de Frank et de boucles parfaites. La stratégie de fabrication n’a pas d’influence sur l’évolution microstructurale des échantillons FA. Cependant, les cellules dendritiques, caractéristiques de la FA, sont dissoutes par irradiation. De plus, une densité plus faible de boucles de dislocation est mesurée dans le cas des échantillons FA que pour les échantillons recuits et de référence, qui présentent eux une évolution similaire. Cela est expliqué par une densité de puits de défauts plus importante dans le matériau FA brut. L’évolution microstructurale observée est reliée aux propriétés mécaniques, qui sont mesurées par compression micro-pilier. Il est démontré que les matériaux recuits et de référence voient leur cission critique résolue augmenter à cause de la création des boucles de dislocation, alors que le matériau FA voit une diminution suite à la dissolution des cellules de dislocation, plus important que la composante durcissante. Ces évolutions sont confirmées par l’application du modèle de durcissement par barrières dispersées.

Additive Manufacturing (AM) of metals is an advanced technology that enables rapid implementation and design optimization of complex parts. It is now used in many industrial sectors, including nuclear. One of the most common processes in AM is Laser Powder Bed Fusion, which results in a particular microstructure that could influence the material's response to irradiation. The objective of this thesis was to study the effect of heavy ion irradiation on the microstructure of AM Ni-20Cr using Transmission Electron Microscopy (TEM), as well as its impact on its mechanical properties, to determine whether AM could be used for nuclear applications. For this purpose, three additive manufacturing strategies and the effect of annealing were studied and compared to a reference material. Various heavy ion irradiation experiments were conducted, on bulk samples as well as on thin foils observed via in situ TEM. In situ experiments allow measuring the defect growth kinetics at low doses and tracking the evolution of certain characteristics.It is thus demonstrated that in all samples, irradiation induces the formation of Frank loops and perfect loops. The manufacturing strategy does not influence the microstructure evolution of AM samples. However, the dendritic cells, characteristic of AM, are dissolved under irradiation. Additionally, a lower density of dislocation loops is measured in the AM samples compared to the annealed and reference samples that show a similar evolution. This is explained by a higher density of defect sinks in the as built AM material. The observed microstructural evolution is linked to the mechanical properties, which are measured by micropillar compression. It is shown that the annealed and reference materials experience an increase in their critical resolved shear stress due to the creation of dislocation loops, whereas the AM material show a decrease due to the dissolution of dislocation cells, superior to the hardening component. These changes are confirmed by the application of the dispersed barrier-hardening model.