Fabrication et étude du comportement sous irradiation d'alliages obtenus par fabrication additive

par Martin Madelain

Projet de thèse en Science des Matériaux

Sous la direction de Pascal Aubry.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences , en partenariat avec CEA/SEARS - Service d'études analytiques et de réactivité des surfaces (laboratoire) et de Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    La fabrication additive offre de nouvelles possibilités de fabrication de pièces aux géométries complexes et aux microstructures surprenantes. Différents défis sont à relever avec ce type de fabrication et le contrôle des microstructures finales fait partie des optimisations en cours. Le travail proposé s'inscrit dans le cadre de l'utilisation de la fabrication additive pour obtenir des matériaux à architecture contrôlée et évaluer leur comportement sous irradiation. Dans le cadre des études conduites sur les Réacteurs à Sels Fondus (en anglais, Molten Salt Reactors, MSRs), de nouveaux défis matériaux sont à relever. Il s'agit principalement du comportement sous irradiation et en corrosion des matériaux utilisables avec des sels fondus. Les RSFs présentent de nombreux atouts en terme de sureté intrinsèque et de gestion des déchets. De très nombreuses options restent ouvertes que ce soit sur le plan de la conception où dans le choix des matériaux de structure. La fabrication additive permet d'envisager de nouvelles conceptions de pièces mais il convient d'abord d'évaluer ces techniques pour les matériaux d'intérêt des RSFs. Le sujet proposé vise à obtenir un ou plusieurs matériaux base Ni (proches de l'Hastelloy-N Ni 16Mo 7Cr) par fabrication additive, par SLM (Selective Laser Melting) ou par Direct Metal Deposition et à étudier son comportement sous irradiation. L'étude sera conduite en synergie sur deux département du CEA/DEN : • Au Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN) : Les expertises microstructurales seront réalisées au Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (CEA/DEN/DANS/DMN/SRMA/LA2M) grâce à des expertises fines par Microscopie Electronique à Balayage, Microscopie Electronique à Transmission et diffraction des rayons X. Les irradiations seront conduites avec l'installation JANNuS du DMN/SRMP. • Au Département de Physico-Chimie (DPC) : Les procédés SLM et Projection Laser sont bien maitrisés au laboratoire d'Ingénierie des Surfaces et Lasers du CEA Saclay (DEN/DANS/DPC/SEARS/LISL) qui dispose de moyens associés. Après différents échanges avec les spécialistes du DPC/SCCME de la corrosion dans les sels fondus, les nuances base Ni seront approvisionnées et utilisées pour fabriquer des échantillons de référence dont les propriétés seront comparées à celle d'un 316 L conventionnel obtenu avec des paramètres standards. Le comportement sous irradiation aux particules chargées des matériaux sera étudié grâce à l'installation JANNuS du DMN et à des nouvelles techniques de dépouillement faisant appel à l'Intelligence Artificielle [1]. On recherchera notamment les microstructures qui gonflent (formation de cavités par accumulation de lacunes produites par l'irradiation) le moins sous irradiation à fortes doses en s'attachant à comprendre les relations matériaux comportement sous irradiation. On s'appuiera sur les premiers travaux réalisés par A H. Puichaud [2] sur cette thématique sur du 316L. Des résultats récents [3] sur l'alliage Hastalloy X ont montré que l'alliage obtenu par fabrication additive se comportait sensiblement différemment de l'Hastelloy X obtenu par métallurgie conventionnelle lors d'études de corrosion. Remarque : en dehors de ce travail de thèse, les matériaux de l'étude seront testés par le DPC/SCCME dans des sels fondus pour évaluer leur résistance à la corrosion. Cette étude sera conduite dans le cadre du développement des matériaux pour les réacteurs de quatrième génération pour proposer des innovations matériaux en rupture. Ce travail sera encadré au CEA Saclay par Yann de Carlan et Joel Ribis (CEA/DEN/DANS/DMN/LA2M) et sera co-dirigé par le Professeur Alexandre Legris pour l'expertise matériaux sous irradiation et Pascal Aubry (CEA/DEN/DANS/DPC/SEARS/LISL) pour l'expertise en procédés de fabrication additive.

  • Titre traduit

    Manufacture and study of the behavior under irradiation of alloys obtained by additive manufacturing


  • Résumé

    Additive manufacturing offers new possibilities for manufacturing parts with complex geometries and surprising microstructures. Different challenges are to be met with this type of manufacturing and the control of the final microstructures is part of the optimizations in progress. The proposed work falls within the framework of the use of additive manufacturing to obtain materials with controlled architecture and to evaluate their behavior under irradiation. As part of the studies conducted on Molten Salt Reactors (MSRs), new material challenges have to be met. This mainly concerns the behavior under irradiation and corrosion of materials which can be used with molten salts. RSFs have many advantages in terms of intrinsic safety and waste management. Many options remain open whether in terms of design or choice of materials of structure. Additive manufacturing allows new part designs to be considered, but these techniques need to be evaluated first for the materials of interest to RSFs. The proposed subject aims to obtain one or more Ni-based materials (similar to Hastelloy-N Ni 16Mo 7Cr) by additive manufacturing, by SLM (Selective Laser Melting) or by Direct Metal Deposition and to study its behavior under irradiation. In particular, we will be looking for microstructures which swell (formation of cavities by accumulation of vacancies produced by irradiation) the least under high-dose irradiation by endeavoring to understand the relationships between materials and behavior under irradiation. We will rely on the first work carried out by A H. Puichaud [2] on this theme on 316L. Recent results [3] on the Hastalloy X alloy have shown that the alloy obtained by additive manufacturing behaves significantly differently from Hastelloy X obtained by conventional metallurgy in corrosion studies. Note: apart from this thesis work, the study materials will be tested by the DPC / SCCME in molten salts to assess their corrosion resistance. This study will be carried out as part of the development of materials for fourth generation reactors to offer breakthrough materials innovations. This work will be supervised at CEA Saclay by Yann de Carlan and Joel Ribis (CEA / DEN / DANS / DMN / LA2M) and will be co-directed by Professor Alexandre Legris for expertise in materials under irradiation and Pascal Aubry (CEA / DEN / DANS / DPC / SEARS / LISL) for expertise in additive manufacturing processes.