Conception et caractérisation d’alliages métalliques durs pour des applications de résistance à l’usure

Design and characterization of hard alloys for wear resistance applications

• Auteur / Autrice : Lisa Rateau
• Direction : Franck Tancret, Anna Fraczkiewicz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 21/04/2023
• 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) - Laboratoire Georges Friedel
• Jury : Président / Présidente : Xavier Sauvage
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Dhers
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Poquillon, Pascal Aubry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages

Mots clés libres

Processus gaussien

Thermo-Calc

Evêtements résistants à l’usure

Gaussian process

Thermo-Calc

Wear-resistant coatings

Résumé

L’objectif de ce travail est de concevoir des alliages originaux pour le remplacement de la Stellite 6, un alliage à base de cobalt, utilisé dans l’industrie du nucléaire. Notre démarche consiste en une alternance d’approches numériques et expérimentales. Plusieurs critères de conception d’alliages ont été choisis, concernant les propriétés mécaniques (dureté, résistance à l’usure) ou la microstructure et les propriétés qui en découlent (phases en présence, résistance à la corrosion, effet TRIP). Leur modélisation a fait appel à plusieurs méthodes numériques, telles que la fouille de données (processus gaussien, algorithme de comparaison de paires) et la thermodynamique prédictive (méthode Calphad). L’optimisation des compositions des alliages a été opérée par un algorithme génétique multiobjectifs avec contraintes. Sur la base de ces résultats numériques, plusieurs alliages ont été élaborés et caractérisés expérimentalement (MEB, MET, DRX, essais mécaniques et d’usure). Plusieurs étapes de conception et de validation expérimentale ont été nécessaires afin de parvenir à la définition d’alliages prometteurs avec, notamment, une résistance à l’usure proche de celle de la Stellite 6. Riches en Fe et Cr, dopés au C, leur originalité vient d’un renforcement par le bore. Les résultats expérimentaux apportent aussi une validation de la démarche de conception d’alliages développée dans ce travail.

The objective of this work is to design original alloys to replace Stellite 6, a cobalt-based alloy used in the nuclear industry. Our approach consists in alternating numerical and experimental approaches. Several alloy design criteria were chosen, concerning mechanical properties (hardness, wear resistance) or microstructure and the properties that depend on it (presence of phases, corrosion resistance, TRIP effect). Their modelling involved several numerical methods, such as data mining (Gaussian process, pairwise comparison algorithm) and predictive thermodynamics (Calphad method). The optimisation of alloy compositions was performed by a multi-objective genetic algorithm with constraints. Based on these numerical results, several alloys were elaborated and experimentally characterised (SEM, TEM, XRD, mechanical and wear tests). Several stages of design and experimental validation were necessary in order to define promising alloys with, in particular, a wear resistance close to that of Stellite 6. Rich in Fe and Cr, doped with C, their originality comes from a reinforcement by boron. The results of this work also provide a validation of the alloy design approach developed.