Contribution à la conception d’alliages de nickel résistants à la fragilisation par l’hydrogène

Contribution to the design of nickel alloys resistant to hydrogen embrittlement

• Auteur / Autrice : Aman Prasad
• Direction : Franck Tancret, Frédéric Christien, Isabelle Braems
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 07/04/2025
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Feaugas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Blanc, Döme Tanguy
• DOI : 10.70675/c3a37681z4fe9z493azb82czdb07b2621604

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Fragilisation par l'hydrogène

Nickel -- Alliages

Mots clés libres

Fragilisation par l’hydrogène

Optimisation multi-objectifs

Interactions hydrogène-métal

Calculs de premiers principes

Effets de la structure électronique

Conception d’alliages

Hydrogen embrittlement

Multi-objective optimization

Hydrogen-metal interactions

First-principles calculations

Electronic structure effects

Alloy design

Résumé

Des stratégies d'atténuation de la fragilisation par l’hydrogène (FPH) sont étudiées. Une première approche s'appuie sur la conception d’alliages modèles combinée à des investigations expérimentales pour examiner le rôle des précipités γ' dans le piégeage de l'hydrogène, ainsi que leur impact sur la FPH. Deux alliages avec des désaccords de paramètres de mailles γ/γ′ distincts ont été conçus à l’aide de calculs thermodynamiques, de modèles de régression et d’un algorithme génétique. Les essais ont révélé un retard significatif de la diffusion de l’hydrogène dans les deux alliages en raison de la présence de pièges à hydrogène. L’alliage à faible désaccord paramétrique présente un piégeage moindre mais un ralentissement plus efficace de la diffusion.L'autre approche utilise des calculs ab initio pour comprendre l'influence des éléments d'alliage sur la FPH. Ces calculs portent sur l’énergie de surface, l’énergie des fautes d’empilement instables et la densité d’états électroniques. L’hydrogène fragilise tous les alliages étudiés en diminuant l’énergie de surface et en augmentant l’énergie de faute d’empilement instables. Une corrélation entre le nombre d’électrons d des éléments d’alliage, la densité d’états au niveau de Fermi et la susceptibilité à la FPH a été observée, apportant des pistes essentielles pour la conception d’alliages plus résistants à l’hydrogène.

In this thesis, strategies for mitigating hydrogen embrittlement (HE) are investigated. A first approach relies on the design of model alloys combined with experimental investigations to examine the role of γ' precipitates in hydrogen trapping, as well as their impact on HE. Two alloys with distinct γ/γ′ misfits were designed using a combination of thermodynamic calculations, regression models and a genetic algorithm. Experimental results revealed a significant delay in hydrogen diffusion in both alloys due to the presence of hydrogen traps. The alloy with low misfit showed less trapping but a more effective diffusion retardation.The second approach uses ab initio calculations to understand the influence of alloying elements on HE. These calculations focus on surface energy, the unstable stacking faults energy and the electronic density of states. Hydrogen embrittles all the alloys studied, decreasing surface energy and increasing unstable stacking fault energy. Furthermore, a correlation between the number of d-electrons in the alloying elements, the density of states at the Fermi level and susceptibility to HE was observed, providing insights for the design of hydrogen-resistant alloys.