Synthèse d'Alliages à Haute Entropie (AHE): élaboration par frittage SPS et modélisation multi-échelles.

par Adrien Fourmont

Projet de thèse en Chimie - Physique

Sous la direction de Olivier Politano et de Sophie Le gallet.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (laboratoire) depuis le 02-10-2017 .


  • Résumé

    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 (AHEs) 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 AHEs sont élaborés par fusion à l'arc, en passant par une phase liquide pour obtenir le mélange. Nous proposons une autre méthode basée sur la métallurgie des poudres. L'élaboration des AHEs sera réalisée par voie solide, en combinant l'activation mécanique ou la mécanosynthèse et le frittage SPS (Spark Plasma Sintering). Nous étudierons des AHEs de Al, Co, Cr, Fe et Ni pour les comparer aux aciers conventionnels et aux alliages M-Cr-Al. Les produits seront caractérisés expérimentalement par différentes techniques : DRX, MEB, MET, Thermogravimétrie. En parallèle, des études fondamentales de la formation des AHEs et de leurs propriétés seront réalisées par une modélisation multi-échelle / multi-physique des systèmes multi-constituants incluant la thermodynamique calculatoire, des calculs cinétiques et des simulations par dynamique moléculaire. Le but est 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 AHEs.

  • Titre traduit

    Synthesis of High Entropy Alloys (HEA) : elaboration by SPS sintering and multiscale modeling.


  • 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. We propose another method based on powder metallurgy. The development of HEAs will be carried out by solid-state route, combining mechanical activation or mechanosynthesis and SPS (Spark Plasma Sintering) sintering. We will study HEAs of Al, Co, Cr, Fe and Ni to compare them with conventional steels and M-Cr-Al alloys. The products will be characterized experimentally by different techniques: DRX, MEB, MET, Thermogravimetry. In parallel, fundamental studies of the formation of HEAs and their properties will be carried out by multiscale / multi-physical modeling of multi-constituent systems including computational thermodynamics, kinetic calculations and molecular dynamics simulations. The aim is to determine the microstructural properties as a function of the process parameters because the nanostructures (dendrites, nanotwins, precipitates) play a decisive role on the exceptional properties of HEAs.