Dispositifs intégrés pour l'accélération du déploiement de matériaux émergents

Octobre 2022 - Seprtembre 2025

Partenaire IMN du projet : Franck TANCRET   (équipe ID2M)

Coordinateur :
Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab Paris)
Partenaires :
Laboratoire de Réactivité de Surface (LRS Paris)
Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB Bordeaux)

The A-DREAM project aims to develop a generic approach to accelerate the discovery of corrosion-resistant materials and coatings in extreme environments. To do so, the A-DREAM project proposes an integrated approach using: (i) the digital design of materials/coatings, (ii) the synthesis of these high-throughput materials, and (iii) the implementation of accelerated corrosion tests. Through a digital approach that will include data mining, a CALPHAD-type thermodynamic approach, and corrosion modelling, a wide range of materials and coatings will be analysed to extract targeted compounds for corrosion application. These materials will then be developed through a combinatorial PVD process to quickly synthesize many chemical compositions deposited in thin films over glass substrates. Simultaneously, HEA-type (High-Entropy Alloys) materials will also be developed under the targeted DIAMS project (through conventional or combinatorial additive manufacturing) to be tested in the corrosion devices of the A-DREAM project. Finally, these upper-scale coating developments will be conducted through Cold Spraying technology. All these processes will help cover a panel of compositions and microstructures to identify enhanced compositions of massive materials and coatings, and, on the other and, to study the effect of microstructure on the behaviour of the materials manufactured. These materials will then be tested for corrosion through the implementation of an experimental DIADEM PEPR CALL FOR PROPOSALS “Integrated devices to Accelerate the Deployment of Emerging Materials” Page 27 of 35
device to accelerate the evaluation (by freeing ourselves from long-term immersion testing) of corrosion behaviour by coupling electrochemical techniques and analytical chemistry. This generic approach will be applied if there is corrosion in high-temperature molten chlorides.

Design by artificial intelligence and high-throughput data of advanced alloys and innovative metallurgic concepts for structural application

Septembre 2022 - Février 2026

Partenaire IMN du projet : Franck TANCRET   (équipe ID2M)

Coordinateur :
Institut Jean Lamour (IJL Nancy)
Partenaire :
Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (LEM3 Metz)
Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMAP Grenoble)

Conception assistée par ordinateur de superalliages résistants à l'hydrogène
(Projet-ANR-19-CE08-0017)

Octobre 2019 - Novembre 2023

Coordinateur du projet : Franck TANCRET   (équipe ID2M)

Partenaires :
Centre de Science des matériaux et des structures (SMS MINES Saint-Etienne)
Laboratoire des Sciences du Numérique (LS2N Nantes)

Personnels IMN impliqués :
Emmanuel BERTRAND (MC UNIV), Isabelle BRAEMS-ABBASPOUR (CR CNRS),
Laurent COUTURIER (MC UNIV), Franck TANCRET (PR UNIV)
Aman PRASAD (Doctorant)

La fragilisation par l’hydrogène des alliages de nickel peut avoir de sévères conséquences, e.g. dans les secteurs nucléaire, gazier ou pétrolier. Le but applicatif du projet est de réaliser une conception computationnelle de nouveaux alliages et superalliages de nickel possédant une meilleure résistance à la fragilisation par l’hydrogène (RFH), de bonnes propriétés mécaniques, une bonne tenue à la corrosion, un bas coût…

Des alliages présentant des combinaisons inédites –selon les cas– de propriétés mécaniques, de résistance à l’oxydation, de fabricabilité et de coût ont déjà été conçus en associant des outils de fouille de données (« data mining » / « machine learning »), la thermodynamique prédictive (méthode CALPHAD – « CALculation of PHAse Diagrams »), des modèles physiques et une optimisation multi-objectifs par algorithmes génétiques. Cependant, aucun critère complet n’existe dans la littérature pour relier la RFH à la composition des alliages via leur structure et/ou leur microstructure. Toutefois, la littérature suggère que les carbures MC et que les précipités g’ ayant un fort désaccord paramétrique g/g’ pourraient piéger l’hydrogène et accroître la RFH, bien qu’il n’y en ait pas de preuve formelle. Par ailleurs, la configuration électronique, e.g. via la densité d’états au niveau de Fermi, pourrait aussi influencer la RFH, bien que le modèle existant soit limité en termes de précision et de domaine de composition couvert.

Les objectifs du projet sont ainsi : (i) d’étudier les voies ci-dessus pour augmenter la RFH des alliages de nickel, et (ii) d’exploiter la connaissance générée sous forme de modèles ou critères pour la conception d’alliages à haute performance. Notre stratégie impliquera d’abord la conception, par thermodynamique prédictive, fouille de données et algorithmes évolutionnaires, d’alliages modèles présentant des microstructures spécifiques, i.e. contenant soit seulement des carbures MC soit des g’ avec des valeurs ciblées de désaccord paramétrique g/g’. D’autres alliages modèles seront conçus à l’aide de simulations ab initio, en visant certaines configurations électroniques et interactions avec l’hydrogène. Les alliages modèles seront ensuite élaborés et corroyés à l’échelle du laboratoire, leur microstructure sera caractérisée jusqu’à l’échelle nanométrique (précipités) et leur comportement en présence d’hydrogène sera étudié (perméation, désorption thermique, piégeage, fragilisation…). Ceci apportera de nouvelles connaissances sur les relations entre structure, microstructure et RFH des alliages de nickel, qui seront exprimées sous forme de critères pour améliorer les propriétés des matériaux. Ces critères seront ajoutés aux existants permettant de prédire la microstructure (thermodynamique prédictive), les propriétés mécaniques (fouille de données), la résistance à la corrosion et le coût, pour proposer de nouveaux alliages aux perfomances accrues (y compris leur RFH) par optimisation multi-objectifs. Avec cette augmentation du nombre d’objectifs à traiter simultanément, nous devrons aussi adapter ou changer nos algorithmes d’optimisation. Les alliages conçus seront finalement élaborés et corroyés à l’échelle du laboratoire et caractérisés en termes de microstructure, de propriétés mécaniques et de RFH.

Pour atteindre nos objectifs, le consortium associe (1) un laboratoire de sciences des matériaux avec des experts en simulation ab initio de la cohésion et de la fragilisation des alliages de nickel, en caractérisation microstructurale des métaux ainsi qu’en conception computationnelle d’alliages utilisant la thermodynamique, des modèles physiques, la fouille de données et des algorithmes d’optimisation, (2) un laboratoire d’informatique avec une expertise dans le développement de ces dernières méthodes, et (3) un laboratoire spécialisé dans la fragilisation par l’hydrogène des alliages, possédant également des moyens d’élaboration et de corroyage de matériaux métalliques à composition contrôlée.

Les recherches qui sont menées au sein de l'équipe Ingénierie des Matériaux et Métallurgie (ID2M) visent l'élaboration et la caractérisation des matériaux aux niveaux chimique, structural, mécanique et thermique et leur analyse comportementale en situation réelle, à différentes échelles (atomiques, nanoscopiques, microscopiques, mésoscopiques, macroscopiques) en relation étroite avec les applications.

L'équipe est actuellement constituée de 10 chercheurs et enseignants chercheurs ainsi que de 12 non permanents (Doctorants, Post Doctorant et ATER). Les membres de l’équipe sont répartis sur 2 sites (site de la Lombarderie et site de la Chantrerie). L’un des membres de l’équipe est, dans le cadre d’un accord de partenariat, à mi-temps à l’IMN et pour l’autre mi-temps à l’Université Gustave Eiffel (ex IFSTTAR). La recherche au sein de l’équipe est divisée en 3 thématiques, elles-mêmes subdivisées en sous-thématiques.

• Matériaux Métalliques ;
• Matériaux Naturels et Environnement ;
• Matériaux et Thermique.

Les travaux de recherche de notre équipe portent sur la conception et l'élaboration des matériaux et l'étude de leurs propriétés d'un point de vue académique en vue d'applications industrielles. Dans ces travaux, il s'agit de trouver les conditions permettant d'améliorer les propriétés des matériaux en jouant sur les procédés d'élaboration et les microstructures induites. Ces recherches doivent s'appuyer sur une connaissance fondamentale des évolutions des matériaux, sur des méthodes expérimentales fines et la mise au point de modèles et de simulations numériques.

Objectifs de l'équipe ID2M

• Orienter certaines activités de recherche en matériaux vers la conception de systèmes en favorisant des interactions entre la technologie d'une part, et la physique et chimie d'autre part.
• Développer des activités de recherche sur les matériaux et sur les thématiques intéressant les formations de l'Université de Nantes dont la formation d'ingénieurs Polytech Nantes : soudage et métallurgie, mise en forme des matériaux et thermique, technologies pour l'information et la communication, ...

Les moyens mis en œuvre pour faire aboutir nos recherches sont nombreux et mutualisés à l'ensemble des chercheurs du laboratoire (voire expertise).

Collaborations :

Académiques :

• Intra-IMN : ST2E, PCM, MIOPS, PMN
• Régionales : GeM (Nantes), LS2N (Nantes), RMES (Nantes), Université Gustave Eiffel – ex IFSTTAR (Nantes), LTeN (Nantes), CEISAM (Nantes), , ...
• Nationales : Lab. Georges Friedel (St Etienne), IRDL (Lorient), ICMMO (Orsay), CiNaM (Marseille), Chimie de Paris-Paris Tech, ISCR-CMet (Rennes), ISTERRE Université de Grenoble, IMT Lille Douai, LiENSs La Rochelle, CEA Tech, LITEN, ...      
• Internationales : ETS (Montréal Canada), Université de Lancaster (UK), Université du Nevada (Las Vegas), Université de Sherbrooke (Canada), Université de Balamand (Liban), Tyndall Institute (Irlande), Université technique de Crète (Grèce) ...

Industrielles :

SAFRAN, EDF, INDUSTEEL, ARCELOR MITTAL, BATSCAP (Bolloré), LEIBHERR Aerospace, ALCATEL-THALES, 3Sphotonics, CEA, SNCF, LAFARGE, NAVAL GROUP, ACB, APERAM, DGA, ST Microelectronics...

L'équipe ID2M est fortement impliquée dans :

• l'Institut de Recherche Technologique Jules Verne dans le cadre de 2 projets collaboratifs avec des industriels (Cellule HF, SIPSAN) et d'une chaire de recherche (MAPEPAS) coordonnée par l'équipe.
• le labex « GANEX »

Dans le cadre de la 40^e Rencontre Universitaire de Génie Civile (RUGC) de l’Association Universitaire de Génie Civile (AUGC) co-organisée par l’AUGC, l’Institut Mine Télécom Nord Europe et le Laboratoire Génie Civile et géo-Environnement (LGCqE) qui s’est tenue du 23 au 25 mai 2022 sur le campus de l’Université de Lille, le prix Jeunes Chercheurs « René Houpert » a été attribué à Victor POUSSARDIN, doctorant en co-tutelle Université Gustave Eiffel/Université de Sherbrooke (Canada) et travaillant au sein de l’équipe ID2M de l’Institut des Matériaux de Nantes – Jean Rouxel.

Le RUGC est LE congrès du Génie Civil en France qui a permis à 30 doctorants en 3^e année ou nouveaux docteurs d’exposer leur travail de thèse à l’ensemble de la communauté universitaire du Génie Civil et de faire connaître une partie des activités de leur(s) laboratoire(s) d’accueil ainsi que de concourir à ce prix.

Les travaux de Victor Poussardin portent sur l'utilisation d'argiles calcinées comme ajout cimentaire dans le but de diminuer l’empreinte environnementale du ciment. Le métakaolin, résultant de la calcination de la Kaolinite, est l'argile calcinée qui présente le plus grand potentiel pour une utilisation comme ajout cimentaire.

Malheureusement la kaolin n‘est pas disponible partout, il est donc nécessaire de trouver de nouvelles argiles qui serviront d’alternatives afin de développer des ciments plus durables. Le projet de recherche de Victor se focalise sur l’utilisation de Palygorskite comme ajout cimentaire et compare les résultats obtenus à la référence actuelle qu’est le métakaolin. Ainsi la calcination, la réactivité pouzzolanique et les performances mécaniques en système cimentaire ont été étudiées.

Alliages à forte entropie resistant à l'irradiation
(Projet-ANR-19-CE08-0012)

Octobre 2019 - Septembre 2024

Partenaire IMN du projet : Franck TANCRET  (équipe ID2M)

Coordinateur :
Centre de Science des matériaux et des structures (SMS MINES Saint-Etienne)
Partenaires :
Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière (CSNSM Orsay)
Groupe de Physique des Matériaux (GPM Saint Etienne du Rouvray)
DMN CEA Saclay
Framatome (Fuel)
APERAM Stainless France
EDF Les Renardières Ecuelles

Personnels IMN impliqués :
Emmanuel BERTRAND (MC UNIV), Laurent COUTURIER (MC UNIV),
Dinesh RAM (Doctorant)

Les alliages à haute entropie (HE, high entropy alloys) et les CCAs (complex concentrated alloys), sont de nouvelles classes de matériaux métalliques dans lesquelles des propriétés exceptionnelles sont attendues grâce à une structure cristalline contenant plusieurs éléments chimiques en proportions élevées. Ces alliages pourront probablement être utilisés, à l’avenir, dans des domaines industriels exigeants, tels que l’industrie nucléaire. Le but du projet HERIA est d’évaluer l’intérêt des HEA/CCA pour ce domaine. Le projet bénéficiera de l’expertise existant auprès de ses membres : (i) conception et développement récents des HEA de la famille CrFeMnNi; (ii) méthodologie de conception numérique des alliages HEA/CCA : elle servira à élargir la gamme d’applications possibles grâce à la conception et à l’optimisation de nouveaux CCAs. L’ensemble des alliages couvrira un large éventail d’intérêts applicatifs (définis par les partenaires industriels), comme substituts possibles de l’acier 316SS, mais aussi des alliages à durcissement structural, comme l’A286 ou l’alliage 718.

Les critères de succès du projet viendront d’une évaluation approfondie des alliages sélectionnés, du point de vue de leurs propriétés mécaniques (limite d’élasticité, résistance à la rupture, allongement à la rupture, formabilité) en parallèle avec leur comportement à l’irradiation. La résistance à la corrosion sous contrainte est un des critères de choix des matériaux, pour les applications visées : les alliages à développer devront également être optimisés du point de vue de cette caractéristique. L’hypothèse principale de l’étude est basée sur des données bibliographiques suggérant une amélioration de la résistance à l’irradiation dans des matrices complexes HEA. Les objectifs techniques du projet concernent le développement de nouveaux HEAs/CCAs. Les objectifs scientifiques se concentrent sur : (i) l’analyse approfondie et la compréhension des mécanismes d’irradiation et du comportement des matrices HEA, au niveau atomique et microscopique, en vue de confirmation de leur résistance à l’irradiation améliorée; (ii) l’application et l’amélioration des méthodes existantes de conception d’alliages au cas des CCAs.

Le consortium HERIA est composé de cinq laboratoires universitaires et d’une entité de R&D industrielle. Les deux autres partenaires industriels sont responsables (i) de l’élaboration et de la pré-industrialisation des HEAs (Aperam) ; (ii) des spécifications des alliages à développer (Framatome) ; (iii) des essais de corrosion sous contrainte (Framatome). Dans ce projet, structuré en cinq work packages interagissant, le consortium applique des approches expérimentales et numériques. Il couvre l’ensemble de la chaîne du développement et à l’évaluation d’alliages nouveaux : (i) élaboration, tant en laboratoire industriel (Aperam) que par une méthode unique de fusion de laboratoire en creuset froid, appliquée aux alliages de haute pureté (Armines, MINES St-Etienne); (ii) conception numérique de nuances originales et optimisées (IMN) sur la base de modélisation thermodynamique et physique, avec l’utilisation des algorithmes génétiques développés en interne; (iii) accès aux plateformes d’irradiation aux ions (JANNuS), associé à une expérience significative des analyses quantitatives des défauts cristallins (notamment dus à l’irradiation) par le MET (DNM-CEA et CSNSM) ; (iv) une expertise de haut niveau en analyse chimique à l’échelle atomique par TAP, nécessaire pour la compréhension des phénomènes de ségrégation et de pré-précipitation (GPM) ; (v) une expertise significative et reconnue de modélisation à l’échelle atomique (ou proche de celle-ci) des alliages métalliques (DNM-CEA et EDF R&D MMC), en particulier ceux considérés comme des « matériaux de référence » dans le projet. Le projet sera réalisé avec une forte implication de Framatome, l’unique concepteur européen et producteur de réacteurs et d’assemblages de combustible nucléaire.